JP2008249491A - 角速度センサ素子および角速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】横方向の加速度の影響を除去し易く、かつ固定部の固定が容易な、感度の高い横置き型の角速度センサ素子を提供する。
【解決手段】ケース４のセンサ素子支持部４２の上面に固定される一対の固定部２０と、センサ素子支持部４２と平行な面に沿って延在する検出腕２１と、センサ素子支持部４２と平行な面に沿って延在すると共に検出腕２１の延在方向と交差して互いに反対方向に延在する一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３とを備える。検出腕２１において、一端が一対の固定部２０の一方に連結され、他端が一対の固定部２０の他方に連結されている。上駆動腕２２および下駆動腕２３において、一端が検出腕２１に連結され、他端が自由端となっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、物体の角速度を検出する角速度センサ素子およびそれを備えた角速度センサ装置に関する。

従来から、角速度センサ素子は、船舶、航空機、ロケット等の姿勢を自律制御する技術に使用されているが、最近では、カーナビゲーションシステム、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話等の小型の電子機器にも搭載されるようになってきている。それに伴い、角速度センサ素子の更なる小型化、低背化（薄型化）が要請されており、長手方向（検出軸方向）が鉛直方向と平行となっていた従来の縦置き型の角速度センサ素子（例えば特許文献１参照）に代わって、長手方向が鉛直方向と直交する横置き型の角速度センサ素子（例えば特許文献２，３，４参照）が提案されている。
特開２００３−２２７７１９号公報 特開平８−１２８８３３号公報 特開２００４−３３３４６０号公報 特許第３６９４１６０号 特開２００５−１０６４８１号公報 特許第３７３４９５５号

しかし、上記特許文献２，３，４では、角速度センサ素子が横方向（水平面内において長手方向と直交する方向）から加速度を受けたときに、検出腕の振動が物体の回転による角速度によって生じたものなのか、横方向から受けた加速度によって生じたものなのかを区別することができない。

また、上記特許文献５，６では、固定部の両側または駆動腕の両側に、一対の検出腕が設けられているので、横方向から受けた加速度成分を除去することが可能である。しかし、特許文献５では、駆動腕と検出腕とが固定部を介して連結されているので、コリオリ力によって発生した歪みを固定部を介して検出腕に効率よく伝達するために、複雑な機構を固定部に設けなければならず、固定部の固定が容易ではない。一方、特許文献６では、駆動腕と検出腕とが固定部を介さずに直接連結されているので、固定部に複雑な機構を設けなくても、コリオリ力によって発生した歪みを検出腕に効率よく伝達することが可能である。しかし、駆動腕および検出腕のそれぞれの両端が固定部に固定されているので、駆動腕および検出腕は振動し難く、素子の感度が低くなる可能性がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、横方向の加速度の影響を除去し易く、かつ固定部の固定が容易な、感度の高い横置き型の角速度センサ素子およびそれを備えた角速度センサ装置を提供することにある。

本発明の角速度センサ素子は、第１支持面に固定される一対の第１固定部と、第１支持面と平行な面に沿って延在する第１振動腕と、第１支持面と平行な面に沿って延在すると共に第１振動腕の延在方向と交差して互いに反対方向に延在する一対の第２振動腕とを備えたものである。ここで、第１振動腕において、一端が一対の第１固定部の一方に連結され、他端が一対の第１固定部の他方に連結されている。また、各第２振動腕において、一端が第１振動腕に連結され、他端が自由端となっている。なお、「連結」とは、両者が機械的に接合されている場合や、一体に形成されている場合を含む概念であり、また、直接的または間接的に連結されている場合を含むものである。

また、本発明の角速度センサ装置は、上記角速度センサ素子と、集積回路素子とを備えており、上記集積回路素子は、第２振動腕を振動させる駆動信号を送信すると共に、第１振動腕の振動により出力される検出信号を受信するようになっている。

本発明の角速度センサ素子および角速度センサ装置では、第１固定部を介さずに第１振動腕と一対の第２振動腕とが連結されているので、一対の第２振動腕に働いたコリオリ力によって発生する歪みが固定部を介さずに第１振動腕に直接伝達される。また、各第２振動腕の一端が第１振動腕に連結されると共に、第１振動腕の延在方向と交差して互いに反対方向に延在しているので、第１振動腕は一対の第２振動腕の中心線を基準として互いに反対方向に延在して形成されているといえる。これにより、第１振動腕において、コリオリ力に起因して発生する振動と、横方向から受けた加速度によって生じる振動とを区別しやすい。また、各第２振動腕の他端は自由端となっているので、第１振動腕および一対の第２振動腕の全ての端部が固定されている場合と比べて、第１振動腕および一対の第２振動腕は振動し易い。

ここで、各第２振動腕の一端を、第１振動腕の延在方向における中心部分に連結することが可能である。また、各第２振動腕を、第１振動腕の中心線を対称軸として線対称に延在して形成することが可能である。また、各第２振動腕の一端を、第１振動腕の共通部位に連結し、かつ共通部位を通り第１振動腕と直交する直線上に延在して形成することが可能である。また、各第２振動腕の他端に加重部を連結することが可能である。

また、以下の二種類の電極を設けることが可能である。すなわち、（１）一対の第１電極を、第１振動腕上に形成すると共に、第１振動腕と第２振動腕との連結部分を第１振動腕の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成し、かつ第１振動腕の延在方向と交差する方向に配列し、（２）一対の第２電極を、各第２振動腕上に形成すると共に、第２振動腕の延在方向と交差する方向に配列することが可能である。

また、さらに、第１支持面と平行な面に沿って延在すると共に第１振動腕の延在方向と交差して互いに反対方向に延在し、かつ一端が第１振動腕に連結され、他端が自由端となっている一対の第３振動腕を設けることが可能である。

また、上記一対の第３振動腕を設けた場合には、以下の（１）から（６）のいずれかのようにすることが可能である。

（１）第１振動腕の延在方向の長さを四等分したときに、各第２振動腕を一対の固定部の一方から第１振動腕の四分の一の部位に連結し、さらに、各第３振動腕を一対の固定部の一方から第１振動腕の四分の三の部位に連結する。（２）各第２振動腕および各第３振動腕を、第１振動腕の中心線を対称軸として線対称に延在して形成する。（３）各第２振動腕を、第１振動腕の一の共通部位に連結し、かつ一の共通部位を通り第１振動腕と直交する直線上に延在して形成し、各第３振動腕を、第１振動腕の他の共通部位に連結し、かつ他の共通部位を通り第１振動腕と直交する直線上に延在して形成する。（４）各第２振動腕および各第３振動腕の端部に加重部を連結する。（５）以下の四種類の電極を設ける。すなわち、一対の第１電極を、第１振動腕上に形成すると共に第２振動腕との連結部分を第１振動腕の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成し、かつ第１振動腕の延在方向と交差する方向に配列する。次に、一対の第２電極を、各第２振動腕上に形成すると共に第２振動腕の延在方向と交差する方向に配列する。次に、一対の第３電極を、第１振動腕上に形成すると共に第３振動腕との連結部分を第１振動腕の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成され、かつ第１振動腕の延在方向と交差する方向に配列する。次に、一対の第４電極を、各第３振動腕上に形成すると共に第３振動腕の延在方向と交差する方向に配列する。（６）第２支持面に固定される第２固定部を設け、第１振動腕の延在方向における中心部分を、第２固定部に連結する。

本発明の角速度センサ素子および角速度センサ装置によれば、第１固定部を介さずに第１振動腕と一対の第２振動腕とを連結するようにしたので、固定部の構造を複雑にしなくても、一対の第２振動腕に働いたコリオリ力によって発生する歪みを第１振動腕に効率よく伝達することができる。これにより、固定部の支持面への固定を容易にすることができる。また、各第２振動腕の一端を、第１振動腕に連結すると共に、第１振動腕の延在方向と交差して互いに反対方向に延在するようにしたので、横置き型でありながら、第１振動腕において、コリオリ力に起因して発生する振動と、横方向から受けた加速度によって生じる振動とを区別し易くなる。これにより、横方向の加速度の影響が取り除き易くなる。また、各第２振動腕の他端を自由端としたので、第１振動腕および一対の第２振動腕は振動し易くなる。これにより、素子の感度を高くすることが可能となる。

ここで、各第２振動腕を、第１振動腕の延在方向における中心部分に連結した場合には、コリオリ力に起因して第１振動腕に発生する振動（定在波）の腹の部分に各第２振動腕が連結されたことになるので、コリオリ力によって発生した歪みを第１振動腕に効率よく伝達することができる。これにより、第１振動腕の振幅が大きくなるので、素子の感度を高くすることができる。

また、各第２振動腕を、第１振動腕の中心線を対称軸として線対称に延在して形成した場合には、横方向の加速度による振動と角速度による振動とが区別し易くなるので、角速度の検出精度が向上する。

また、各第２振動腕を、第１振動腕の共通部位に連結し、かつ共通部位を通り第１振動腕と直交する直線上に延在して形成した場合には、左右対称の駆動振動が発生し易くなるので、各第２振動腕を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、第１振動腕の不要振動を低減することができる。

また、各第２振動腕の端部に加重部を連結した場合には、各第２振動腕を振動させたときに、これらを比較的大きな振幅で振動させることができるので、角速度の検出精度が向上する。

また、さらに、上記した一対の第３振動腕を設けた場合に、第１振動腕の延在方向の長さを四等分したときに、各第２振動腕を一対の固定部の一方から第１振動腕の四分の一の部位に連結し、さらに、各第３振動腕を一対の固定部の一方から第１振動腕の四分の三の部位に連結したときには、コリオリ力に起因して第１振動腕に発生する振動（定在波）の腹の部分に各第２振動腕および各第３振動腕が連結されたことになるので、コリオリ力によって発生した歪みを第１振動腕に効率よく伝達することができる。これにより、第１振動腕の振幅が大きくなるので、素子の感度を高くすることができる。

また、各第２振動腕および各第３振動腕を、第１振動腕の中心線を対称軸として線対称に延在して形成した場合には、横方向の加速度による振動と角速度による振動とが区別し易くなるので、角速度の検出精度が向上する。

また、各第２振動腕を、第１振動腕の一の共通部位に連結し、かつ一の共通部位を通り第１振動腕と直交する直線上に延在して形成し、各第３振動腕を、第１振動腕の他の共通部位に連結し、かつ他の共通部位を通り第１振動腕と直交する直線上に延在して形成した場合には、左右対称の駆動振動が発生し易くなるので、各第２振動腕を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、第１振動腕の不要振動を低減することができる。

また、各第２振動腕および各第３振動腕の端部に加重部を連結した場合には、各第２振動腕および各第３振動腕を振動させたときに、これらを比較的大きな振幅で振動させることができるので、角速度の検出精度が向上する。

また、第２支持面に固定される第２固定部を設け、第１振動腕の延在方向における中心部分を、第２固定部に連結した場合には、コリオリ力に起因して第１振動腕に発生する振動（定在波）の節の部分に第２固定部が連結されたことになるので、コリオリ力に起因して第１振動腕に発生する振動を乱すことなく、第１振動腕の不要振動を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る角速度センサ装置１の構成について以下に説明する。図１は本実施の形態に係る角速度センサ装置１の内部構成を分解して表す斜視図であり、図２は角速度センサ装置１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成を表す断面図である。

この角速度センサ装置１は、互いに重ね合わされたケース４および上蓋部５により形成される内部空間Ｇ（図２参照）に角速度センサ素子２および集積回路素子３を配置したものである。

集積回路素子３は、後述するように、角速度センサ素子２の各駆動腕に設けられた各圧電素子に駆動信号を送信すると共に、角速度センサ素子２の各検出腕に設けられた各圧電素子から出力される検出信号を受信するためのものである。ケース４は、例えば複数のセラミック薄板を積層して形成されており、角速度センサ素子２および集積回路素子３を収容することの可能な階段状の窪みを有している。また、上蓋部５は、例えばケース４と同様のセラミック材料により形成されている。

図１に示したように、ケース４の窪みの最も深いところに環状の集積回路支持部４１が形成されており、この集積回路支持部４１上に集積回路素子３が配置されている。また、この集積回路支持部４１の周囲であって、かつ集積回路支持部４１よりも浅いところに環状のセンサ素子支持部４２（第１支持面）が形成されており、このセンサ素子支持部４２上に集積回路素子３が両持梁状に配置されている。また、この集積回路素子３の周囲であって、かつ窪みの外縁をなす環状の上蓋部支持部４３が形成されており、この上蓋部支持部４３と上蓋部５とがケース４の窪みを外部から密閉し、内部空間Ｇ（図２参照）を形成するように互いに重ね合わされている。

角速度センサ素子２は、図１および図２に示したように、ケース４のセンサ素子支持部４２を含む面と平行な面内に沿って形成されたものである。つまり、この角速度センサ素子２は、いわゆる横置き型の素子である。

図３は角速度センサ素子２の上面構成の一例を表す平面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ、Ｃ−ＣおよびＤ−Ｄ矢視方向の断面構成の一例をまとめて１つに表した断面図である。この角速度センサ素子２は、センサ素子支持部４２に固定された一対の固定部２０と、両端が一対の固定部２０にそれぞれ連結された検出碗２１（第１振動腕）と、一端が検出碗２１に連結された一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３（一対の第２振動腕）とを備えている。

ここで、上駆動腕２２の名称に含まれる「上」とは、検出碗２１の中心線を対称軸として図３における紙面の上側を指すために便宜的に用いられたものであり、高さ方向を指すものではない。また、下駆動腕２３の名称に含まれる「下」とは、検出碗２１の中心線を対称軸として図３における紙面の下側を指すために便宜的に用いられたものであり、高さ方向を指すものではない。

また、以下において、「左右対称」、「上下対称」、「上下左右対称」と称した場合についても、紙面における左右や上下を指すために便宜的に用いられたものである。本明細書において、「左右」とは、検出碗２１の延在方向を指しており、「上下」とは、検出碗２１の延在方向と直交する方向を指している。また、「左右対称」とは、検出碗２１の延在方向の中心部２１Ｃを通り検出碗２１の延在方向と直交する直線を対称軸として線対称となっていることを指しており、「上下対称」とは、検出碗２１の中心線を対称軸として線対称となっていることを指しており、「上下左右対称」は、左右対称であると共に上下対称であることを指している。

固定部２０は、検出碗２１、上駆動腕２２および下駆動腕２３を内部空間Ｇの中空に保持するためのものである。各固定端部２０は、例えば、検出碗２１の延在方向と直交する方向に延在する矩形状となっている。各固定端部２０の中心部分が検出碗２１の端部と連結されており、各固定端部２０の底部がケース４のセンサ素子支持部４２の上面と接している。なお、固定部２０は、図３に例示した形状および大きさに限られるものではなく、検出碗２１、上駆動腕２２および下駆動腕２３を内部空間Ｇの中空に保持することが可能であればどのような形状および大きさであってもよい。

検出碗２１は、一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３に働いたコリオリ力によって発生した歪みが当該検出碗２１に伝達されてきたときに、この歪みの大きさに応じた振動を発生させるためのものである。この検出碗２１において、一端が一対の固定部２０の一方の側面に連結されており、他端が一対の固定部２０の他方の側面に連結されている。つまり、検出腕２１は一対の固定部２０によって両持梁状に空間Ｇ中に配置されており、その両端が固定端となっている。従って、検出腕２１は、コリオリ力によって発生した歪みが当該検出碗２１に伝達されてくると、例えば、検出腕２１の延在方向の中心部２１Ｃを腹とし、検出腕２１の両端を節とする振動（低在波）が上下方向に発生する。

上駆動腕２２および下駆動腕２３は、角速度センサ装置１の搭載された物体がセンサ素子支持部４２を含む面と直交する方向（図３では紙面の垂直方向）を回転軸とする回転運動を行っているときに、この上駆動腕２２および下駆動腕２３にコリオリ力を生じさせるためのものである。上駆動腕２２および下駆動腕２３は、検出腕２１の延在方向と交差して互いに反対方向に延在しており、それらの一端が検出碗２１に連結され、それらの他端が自由端となっている。従って、上駆動腕２２および下駆動腕２３は、自由端となっている端部を左右方向に振動させることが可能となっている。

また、上駆動腕２２および下駆動腕２３は、例えば、図３に示したように、検出碗２１の延在方向における中心部２１Ｃに連結されていることが好ましいが、それ以外の部分に連結されていてもよい。また、上駆動腕２２および下駆動腕２３は、検出腕２１の中心線を対称軸として線対称（上下対称）に延在していることが好ましいが、上下非対称となっていてもよい。また、上駆動腕２２および下駆動腕２３は、検出腕２１の共通部位（図３では中央部２１Ｃ）に連結され、かつ共通部位を通り検出腕２１と直交する直線上に延在して形成されていることが好ましいが、若干、互いに異なる位置に連結されていてもよい。

なお、図３に示したように、上駆動腕２２および下駆動腕２３のそれぞれの自由端側の端部に加重部２４，２５を連結してもよい。この加重部２４，２５は、上駆動腕２２および下駆動腕２３の駆動振動の周波数および振幅を調整するためのものであり、加重部２４，２５を重くするにつれて周波数を低くし、振幅を大きくすることができる。

ここで、固定部２０、検出腕２１、上駆動腕２２および下駆動腕２３はそれぞれ、例えば、共通の材料（例えばシリコン）からなり、ウェハをパターニングすることにより一括形成することが可能である。

検出腕２１の表面には、検出腕２１の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子２１Ａ，２１Ｂが二組、形成されている。一対の圧電素子２１Ａ，２１Ｂは、検出腕２１がケース４のセンサ素子支持部４２を含む面と平行な面に沿って振動したときに、その振動を検出するためのものであり、検出腕２１の延在方向と交差する方向に配列されていることが好ましい。また、圧電素子２１Ａ，２１Ｂは、検出腕２１が最も大きく歪む箇所に配置されていることが好ましく、例えば、図３に示したように、検出腕２１と上駆動腕２２および下駆動腕２３との連結部分（中央部２１Ｃ）を検出腕２１の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成されていることが好ましい。

また、上駆動腕２２の表面には、上駆動腕２２の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子２２Ａ，２２Ｂが形成されている。これら一対の圧電素子２２Ａ，２２Ｂは、上駆動腕２２がケース４のセンサ素子支持部４２を含む面と平行な面に沿って振動させるためのものであり、上駆動腕２２の延在方向と交差する方向に配列されていることが好ましい。また、圧電素子２２Ａ，２２Ｂは、上駆動腕２２が最も大きく歪む箇所に配置されていることが好ましく、例えば、図３に示したように、検出腕２１と上駆動腕２２および下駆動腕２３との連結部分（中央部２１Ｃ）の近傍に形成されていることが好ましい。

また、下駆動腕２３の表面には、下駆動腕２３の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子２３Ａ，２３Ｂが形成されている。これら一対の圧電素子２３Ａ，２３Ｂは、上記した圧電素子２２Ａ，２２Ｂと同様、下駆動腕２３をケース４のセンサ素子支持部４２を含む面と平行な面に沿って振動させるためのものであり、下駆動腕２３の延在方向と交差する方向に配列されていることが好ましい。また、圧電素子２３Ａ，２３Ｂは、下駆動腕２３が最も大きく歪む箇所に配置されていることが好ましく、例えば、図３に示したように、検出腕２１と上駆動腕２２および下駆動腕２３との連結部分（中央部２１Ｃ）の近傍に形成されていることが好ましい。

ここで、各圧電素子２１Ａ，２２Ａ，２３Ａは、例えば、図４に示したように、上検出腕２１、下検出腕２２または上駆動腕２３上に、絶縁層２１Ａ１，２２Ａ１，２３Ａ１と、下部電極２１Ａ２，２２Ａ２，２３Ａ２と、圧電体２１Ａ３，２２Ａ３，２３Ａ３と、上部電極２１Ａ４，２２Ａ４，２３Ａ４とをこの順に積層して形成されたものである。他方、各圧電素子２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂは、例えば、図４に示したように、上検出腕２１、下検出腕２２または上駆動腕２３上に、絶縁層２１Ｂ１，２２Ｂ１，２３Ｂ１と、下部電極２１Ｂ２，２２Ｂ２，２３Ｂ２と、圧電体２１Ｂ３，２２Ｂ３，２３Ｂ３と、上部電極２１Ｂ４，２２Ｂ４，２３Ｂ４とをこの順に積層して形成されたものである。つまり、各圧電素子２１Ａ，２２Ａ，２３Ａと、各圧電素子２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂとは、互いに別体に形成されている。

なお、例えば、図５に示したように、絶縁層２１Ａ１，２２Ａ１，２３Ａ１と絶縁層２１Ｂ１，２２Ｂ１，２３Ｂ１とを共通の絶縁層２１−１、２２−１、２３−１で形成し、下部電極２１Ａ２，２２Ａ２，２３Ａ２と下部電極２１Ｂ２，２２Ｂ２，２３Ｂ２とを共通の下部電極２１−２、２２−２、２３−２で形成し、圧電体２１Ａ３，２２Ａ３，２３Ａ３と圧電体２１Ｂ３，２２Ｂ３，２３Ｂ３とを共通の圧電体２１−３、２２−３、２３−３で形成してもよい。

ここで、絶縁層２１Ａ１，２２Ａ１，２３Ａ１、２１Ｂ１，２２Ｂ１，２３Ｂ１，２１−１，２２−１および２３−１は、例えばＺｒＯ_２膜およびＹ_２Ｏ_３膜をこの順に積層して形成されている。下部電極２１Ａ２，２２Ａ２，２３Ａ２、２１Ｂ２，２２Ｂ２，２３Ｂ２，２１−２，２２−２および２３−２は、例えばＰｔ（１００）配向膜からなる。圧電体２１Ａ３，２２Ａ３，２３Ａ３、２１Ｂ３，２２Ｂ３，２３Ｂ３，２１−３，２２−３および２３−３は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含んで形成されている。また、上部電極２１Ａ４，２２Ａ４，２３Ａ４、２１Ｂ４，２２Ｂ４，２３Ｂ４は、例えばＰｔ（１００）配向膜からなる。

このような構成を備えた角速度センサ装置１では、角速度センサ装置１の搭載された物体が回転運動をしていない場合に、例えば、圧電素子２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂを用いて一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３を同位相で駆動したときには、図６に示したように、上駆動腕２２が上駆動腕２２の延在方向と交差する方向ａに主に振動すると共に、下駆動腕２３が下駆動腕２３の延在方向と交差する方向ｂに主に振動する。

このとき、例えば、図７に示したように、角速度センサ装置１の搭載された物体がセンサ素子支持部４２を含む面と直交する方向を回転軸とする回転運動ｒを開始すると、コリオリ力ｆが一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３にそれぞれ同じ向きに働き、検出腕２１が検出腕２１の延在方向と交差する方向ｃに振動し始める。これにより、このときの検出腕２１の振動に応じた検出信号を圧電素子２１Ａ，２１Ｂから取り出すことにより、角速度を検出することができる。

ところで、本実施の形態では、固定部２０を介さずに検出腕２１と一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３とが互いに連結されているので、一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３に働いたコリオリ力によって発生する歪みを、固定部２０を介さずに検出腕２１に直接伝達することができる。これにより、固定部２０の構造を複雑にしなくても、コリオリ力によって発生する歪みを検出腕２１に効率よく伝達することができる。これにより、固定部２０のセンサ素子支持部４２への固定を容易にすることができる。

また、一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３が検出腕２１に連結されると共に、検出腕２１の延在方向と交差して互いに反対方向に延在しているので、検出腕２１は一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３の中心線を基準として互いに反対方向に延在して形成されていると言える。これにより、上記のようにして角速度を検出している場合、または角速度センサ装置１の搭載された物体が停止もしくは等速運動をしている場合に、横方向から加速度ｐを受けたときには、検出腕２１はこの加速度ｐによってほとんど変位しない。なお、図８に、角速度センサ装置１の搭載された物体が停止もしくは等速運動をしている場合に、横方向から加速度ｐを受けたときの角速度センサ素子２の動作の一例を示す。これにより、横置き型でありながら、コリオリ力に起因して発生する振動と、横方向から受けた加速度によって生じる振動とを区別することができるので、横方向の加速度の影響をほとんどなくすることができる。

また、上駆動腕２２および下駆動腕２３の検出腕２１との連結端とは反対側の端部は自由端となっているので、検出腕２１および一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３の全ての端部が固定されている場合と比べて、検出腕２１および一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３は振動し易くなっている。これにより、素子の感度を高くすることが可能である。

なお、図３では、上駆動腕２２および下駆動腕２３の端部には加重部２４，２５が連結されているが、加重部２４，２５は固定部２０には固定されていないので、上駆動腕２２および下駆動腕２３の端部は自由端になっていると言える。

ここで、本実施の形態において、圧電素子２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂを用いて一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３を同位相で駆動する場合に、上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の延在方向における中心部２１Ｃに連結したときには、コリオリ力に起因して検出腕２１に発生する振動（定在波）の腹の部分に上駆動腕２２および下駆動腕２３が連結されたことになる。これにより、コリオリ力によって発生した歪みを検出腕２１に効率よく伝達することができるので、検出腕２１の振幅が大きくなる。その結果、素子の感度を高くすることができる。

また、上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の中心線を対称軸として線対称に延在して形成した場合には、横方向の加速度による振動と角速度による振動とが区別し易くなるので、角速度の検出精度が向上する。

また、上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の共通部位（例えば中心部２１Ｃ）に連結し、かつ共通部位を通り検出腕２１と直交する直線上に延在して形成した場合には、左右対称の駆動振動が発生し易くなるので、上駆動腕２２および下駆動腕２３を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、検出腕２１の不要振動を低減することができる。

また、上駆動腕２２および下駆動腕２３の端部に加重部２４，２５を連結した場合には、上駆動腕２２および下駆動腕２３を振動させたときに、これらを比較的大きな振幅で振動させることができるので、角速度の検出精度が向上する。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る角速度センサ装置６について説明する。

上記実施の形態では、一組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が固定部２０を介さずに検出腕２１に直接連結されていたが、本実施の形態の角速度センサ素子７では、図９、図１０に示したように、二組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が固定部２０を介さずに検出腕２１に直接連結されている。この点で、本実施の形態の角速度センサ素子７は、上記実施の形態の角速度センサ素子２の構成と主に相違する。そこで、以下では、上記実施の形態との相違点について主に説明し、上記実施の形態との共通点については適宜省略するものとする。

上記したように、本実施の形態では、検出腕２１には、二組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が検出腕２１に連結されている。ここで、検出腕２１の延在方向の長さを四等分したときに、一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が、一対の固定部２０の一方（例えば図１０の左側の固定部２０）から検出腕２１の四分の一の部位（四分割部２１Ｄ）に連結され、さらに、他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が、一対の固定部２０の一方（例えば図１０の左側の固定部２０）から検出腕２１の四分の三の部位（四分割部２１Ｅ）に連結されていることが好ましいが、それ以外の部分に連結されていてもよい。

また、各上駆動腕２２および各下駆動腕２３が、検出腕２１の中心線を対称軸として線対称（上下対称）に延在していることが好ましいが、上下非対称となっていてもよい。また、一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が、検出腕２１の共通部位（図１０では四分割部２１Ｄ）に連結され、かつ共通部位を通り検出腕２１と直交する直線上に延在して形成されていることが好ましいが、若干、互いに異なる位置に連結されていてもよい。同様に、他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が、検出腕２１の共通部位（図１０では四分割部２１Ｅ）に連結され、かつ共通部位を通り検出腕２１と直交する直線上に延在して形成されていることが好ましいが、若干、互いに異なる位置に連結されていてもよい。

検出腕２１の表面には、検出腕２１の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子２１Ａ，２１Ｂが四組、形成されている。一対の圧電素子２１Ａ，２１Ｂは、検出腕２１がケース４のセンサ素子支持部４２を含む面と平行な面に沿って振動したときに、その振動を検出するためのものであり、検出腕２１の延在方向と交差する方向に配列されていることが好ましい。また、圧電素子２１Ａ，２１Ｂは、検出腕２１が最も大きく歪む箇所に配置されていることが好ましく、例えば、図１０に示したように、一方の組の検出腕２１と上駆動腕２２および下駆動腕２３との連結部分（四分割部２１Ｄ）を検出腕２１の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成されると共に、他方の組の検出腕２１と上駆動腕２２および下駆動腕２３との連結部分（四分割部２１Ｅ）を検出腕２１の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成されていることが好ましい。

このような構成を備えた角速度センサ装置６では、角速度センサ装置６の搭載された物体が回転運動をしていない場合に、例えば、圧電素子２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂを用いて一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を互いに同位相で駆動すると共に、他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を互いに同位相で駆動し、さらに、一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３とは逆位相で駆動したときには、例えば、図１１に示したように、２つの上駆動腕２２が主に上駆動腕２２の延在方向と交差する方向ａに互いに逆位相で振動し、さらに、２つの下駆動腕２３が主に下駆動腕２３の延在方向と交差する方向ｂに互いに逆位相で振動すると共に、２つの上駆動腕２２と、２つの下駆動腕２３とが、検出腕２１の中心線を対称軸として互いに線対称に振動する。

このとき、例えば、図１２に示したように、角速度センサ装置６の搭載された物体がセンサ素子支持部４２を含む面と直交する方向を回転軸とする回転運動ｒを開始すると、コリオリ力ｆが２つの上駆動腕２２にそれぞれ反対向きに働くと共に、２つの下駆動腕２３にもそれぞれ反対向きに働き、検出腕２１が中心部２１Ｃを節とし、四分割部２１Ｄ，２１Ｅを腹とする振動を開始し、四分割部２１Ｄ，２１Ｅが検出腕２１の延在方向と交差する方向ｃに振動し始める。これにより、このときの検出腕２１の振動に応じた検出信号を圧電素子２１Ａ，２１Ｂから取り出すことにより、角速度を検出することができる。

ところで、本実施の形態では、固定部２０を介さずに検出腕２１と二組の上駆動腕２２および下駆動腕２３とが互いに連結されているので、各組の上駆動腕２２および下駆動腕２３に働いたコリオリ力によって発生する歪みを、固定部２０を介さずに検出腕２１に直接伝達することができる。これにより、固定部２０の構造を複雑にしなくても、コリオリ力によって発生する歪みを検出腕２１に効率よく伝達することができる。これにより、固定部２０のセンサ素子支持部４２への固定を容易にすることができる。

また、二組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が検出腕２１に連結されると共に、検出腕２１の延在方向と交差して互いに反対方向に延在しているので、検出腕２１は一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３の中心線を基準として互いに反対方向に延在して形成されていると言える。これにより、上記のようにして角速度を検出している場合、または角速度センサ装置６の搭載された物体が停止もしくは等速運動をしている場合に、横方向から加速度ｐを受けたときには、検出腕２１はこの加速度ｐによってほとんど変位しない。なお、図１３に、角速度センサ装置６の搭載された物体が停止もしくは等速運動をしている場合に、横方向から加速度ｐを受けたときの角速度センサ素子７の動作の一例を示す。これにより、横置き型でありながら、コリオリ力に起因して発生する振動と、横方向から受けた加速度によって生じる振動とを区別することができるので、横方向の加速度の影響をほとんどなくすることができる。

また、各組の上駆動腕２２および下駆動腕２３の検出腕２１との連結端とは反対側の端部は自由端となっているので、検出腕２１および一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３の全ての端部が固定されている場合と比べて、検出腕２１および一対の上駆動腕２２および下駆動腕２３は振動し易くなっている。これにより、素子の感度を高くすることが可能である。

ここで、本実施の形態において、一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の延在方向における四分割部２１Ｄに連結し、他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の延在方向における四分割部２１Ｅに連結した状態で、圧電素子２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂを用いて一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を互いに同位相で駆動すると共に、他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を互いに同位相で駆動し、さらに、一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３とは逆位相で駆動した場合には、コリオリ力に起因して検出腕２１に発生する振動（定在波）の腹の部分に各組の上駆動腕２２および下駆動腕２３が連結されたことになる。これにより、コリオリ力によって発生した歪みを検出腕２１に効率よく伝達することができるので、検出腕２１の振幅が大きくなる。その結果、素子の感度を高くすることができる。

また、各組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の中心線を対称軸として線対称に延在して形成した場合には、横方向の加速度による振動と角速度による振動とが区別し易くなるので、角速度の検出精度が向上する。

また、一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の共通部位（例えば四分割部２１Ｄ）に連結すると共に、他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の共通部位（例えば四分割部２１Ｅ）に連結し、かつ、共通部位を通り検出腕２１と直交する直線上に延在して形成した場合には、左右対称の駆動振動が発生し易くなるので、各組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、検出腕２１の不要振動を低減することができる。

また、各組の上駆動腕２２および下駆動腕２３の端部に加重部２４，２５を連結した場合には、各組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を振動させたときに、これらを比較的大きな振幅で振動させることができるので、角速度の検出精度が向上する。

［第２の実施の形態の変形例］
上記実施の形態では、検出腕２１の中央部２１Ｃは固定部２０に接続されておらず、比較的自由に変位することが可能となっていたが、図１１、図１２に示したように、一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の延在方向における四分割部２１Ｄに連結し、他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を、検出腕２１の延在方向における四分割部２１Ｅに連結した状態で、圧電素子２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂを用いて一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を互いに同位相で駆動すると共に、他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を互いに同位相で駆動し、さらに、一方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３を他方の組の上駆動腕２２および下駆動腕２３とは逆位相で駆動した場合には、検出腕２１の中央部２１Ｃは節となり、理想的には、ほとんど動かない。

しかし、上記実施の形態では、検出腕２１の中央部２１Ｃは固定されていないので、何らかのきっかけで検出腕２１にノイズが重畳される虞がある。そこで、図１４に示したように、検出腕２１の中央部２１Ｃに固定部２６を設け、さらに、図１５、図１６に示したように、中央にセンサ素子支持部９１を有すると共にセンサ素子支持部９１の両側に一対のセンサ素子支持部９２を有する中蓋部９を備えた角速度センサ装置８を新たに用意し、各固定部２０の底部をセンサ素子支持部９２の上部に固定すると共に固定部２６の底部をセンサ素子支持部９１の上部に固定するようにしてもよい。これにより、検出腕２１が中央部２１Ｃにおいて固定されるので、ノイズが検出腕２１に重畳される虞をなくすることができる。

以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらの実施の形態等に限定されず、種々変形可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る角速度センサ装置の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成図である。 図１の角速度センサ素子の上面構成図である。 図３の角速度センサ素子のＢ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄ矢視方向の断面構成図である。 図３の一変形例に係る角速度センサ素子の上面構成図である。 図１の角速度センサ素子に回転運動が印加されていないときの動作を説明するための上面構成図である。 図１の角速度センサ素子に回転運動が印加されているときの動作を説明するための上面構成図である。 図１の角速度センサ素子に横方向からの加速度が印加されているときの動作を説明するための上面構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る角速度センサ装置の分解斜視図である。 図９の角速度センサ素子の上面構成図である。 図９の角速度センサ素子に回転運動が印加されていないときの動作を説明するための上面構成図である。 図９の角速度センサ素子に回転運動が印加されているときの動作を説明するための上面構成図である。 図９の角速度センサ素子に横方向からの加速度が印加されているときの動作を説明するための上面構成図である。 図１３の一変形例に係る角速度センサ素子の上面構成図である。 図１４の角速度センサ素子を備えた角速度センサ装置の分解斜視図である。 図１５のＡ−Ａ矢視方向の断面構成図である。

符号の説明

１，６，８…角速度センサ装置、２，７…角速度センサ素子、３…集積回路素子、４…ケース、５…上蓋部、９…中蓋部、２０…固定部、２１…検出腕、２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ…圧電素子、２２…上駆動腕、２１Ａ１，２２Ａ１，２３Ａ１，２１Ｂ１，２２Ｂ１，２３Ｂ１，２１−１，２２−１，２３−１…絶縁層、２１Ａ２，２２Ａ２，２３Ａ２，２１Ｂ２，２２Ｂ２，２３Ｂ２，２１−２，２２−２，２３−２…下部電極、２１Ａ３，２２Ａ３，２３Ａ３，２１Ｂ３，２２Ｂ３，２３Ｂ３，２１−３，２２−３，２３−３…圧電体、２１Ａ４，２２Ａ４，２３Ａ４，２１Ｂ４，２２Ｂ４，２３Ｂ４…上部電極、２４…上加重部、２５…下加重部、４１，９１，９２…センサ素子支持部、４２…集積回路支持部、４３…上蓋部支持部、ａ，ｂ…振動方向、ｆ…コリオリ力、Ｇ，Ｇ１，Ｇ２…内部空間、ｒ…回転運動方向。

Claims (15)

1. 第１支持面に固定される一対の第１固定部と、
   前記第１支持面と平行な面に沿って延在すると共に、一端が前記一対の第１固定部の一方に連結され、他端が前記一対の第１固定部の他方に連結された第１振動腕と、
   前記第１支持面と平行な面に沿って延在すると共に前記第１振動腕の延在方向と交差して互いに反対方向に延在し、かつ各一端が前記第１振動腕に連結され、各他端が自由端となっている一対の第２振動腕と
   を備えることを特徴とする角速度センサ素子。
2. 前記各第２振動腕の前記一端が、前記第１振動腕の延在方向における中心部分に連結されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ素子。
3. 前記各第２振動腕は、前記第１振動腕の中心線を対称軸として線対称に延在している
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の角速度センサ素子。
4. 前記各第２振動腕の前記一端が、前記第１振動腕の共通部位に連結され、かつ前記共通部位を通り前記第１振動腕と直交する直線上に延在している
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。
5. 前記各第２振動腕の前記他端に加重部が連結されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。
6. 前記第１振動腕上に形成されると共に前記第２振動腕との連結部分を前記第１振動腕の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成され、かつ前記第１振動腕の延在方向と交差する方向に配列された一対の第１電極と、
   前記各第２振動腕上に形成されると共に前記第２振動腕の延在方向と交差する方向に配列された一対の第２電極と
   を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。
7. 前記第１支持面と平行な面に沿って延在すると共に前記第１振動腕の延在方向と交差して互いに反対方向に延在し、かつ一端が前記第１振動腕に連結され、他端が自由端となっている一対の第３振動腕を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ素子。
8. 前記第１振動腕の延在方向の長さを四等分したときに、前記各第２振動腕は前記一対の固定部の一方から前記第１振動腕の四分の一の部位に連結され、前記各第３振動腕は前記一対の固定部の一方から前記第１振動腕の四分の三の部位に連結されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の角速度センサ素子。
9. 前記各第２振動腕および前記各第３振動腕は、前記第１振動腕の中心線を対称軸として線対称に延在している
   ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の角速度センサ素子。
10. 前記各第２振動腕は、前記第１振動腕の一の共通部位に連結され、かつ前記一の共通部位を通り前記第１振動腕と直交する直線上に延在し、
    前記各第３振動腕は、前記第１振動腕の他の共通部位に連結され、かつ前記他の共通部位を通り前記第１振動腕と直交する直線上に延在している
    ことを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。
11. 前記各第２振動腕および前記各第３振動腕の前記他端に加重部が連結されている
    ことを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。
12. 前記第１振動腕上に形成されると共に前記第２振動腕との連結部分を前記第１振動腕の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成され、かつ前記第１振動腕の延在方向と交差する方向に配列された一対の第１電極と、
    前記各第２振動腕上に形成されると共に前記第２振動腕の延在方向と交差する方向に配列された一対の第２電極と、
    前記第１振動腕上に形成されると共に前記第３振動腕との連結部分を前記第１振動腕の延在方向から挟み込む部位にそれぞれ形成され、かつ前記第１振動腕の延在方向と交差する方向に配列された一対の第３電極と、
    前記各第３振動腕上に形成されると共に前記第３振動腕の延在方向と交差する方向に配列された一対の第４電極と
    を備えることを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。
13. 第２支持面に固定される第２固定部を備え、
    前記第１振動腕の延在方向における中心部分が、前記第２固定部に連結されている
    ことを特徴とする請求項７ないし請求項１２のいずれか一項に記載の角速度センサ素子。
14. 角速度センサ素子および集積回路素子を備えた角速度センサ装置であって、
    前記角速度センサ素子は、
    第１支持面に固定される一対の第１固定部と、
    前記第１支持面と平行な面に沿って延在すると共に、一端が前記一対の第１固定部の一方に連結され、他端が前記一対の第１固定部の他方に連結された第１振動腕と、
    前記第１支持面と平行な面に沿って延在すると共に前記第１振動腕の延在方向と交差して互いに反対方向に延在し、かつ一端が前記第１振動腕に連結され、他端が自由端となっている一対の第２振動腕と
    を有し、
    前記集積回路素子は、前記第２振動腕を振動させる駆動信号を送信すると共に、前記第１振動腕の振動により出力される検出信号を受信する
    ことを特徴とする角速度センサ装置。
15. 前記第１支持面と平行な面に沿って延在すると共に前記第１振動腕の延在方向と交差して互いに反対方向に延在し、かつ一端が前記第１振動腕に連結され、他端が自由端となっている一対の第３振動腕を備え、
    前記集積回路素子は、前記第３振動腕を振動させる駆動信号を送信する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の角速度センサ装置。

Images