JP2021067701A - 角速度センサおよびセンサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな振動態様の角速度センサを提供する。【解決手段】角速度センサにおいて、１対の実装腕は、直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向において互いに離れている。フレームは、ｘ軸に沿って延びている主部と、ｚ軸方向に見て、主部の両端と１対の実装腕の内側とを接続しており、少なくとも一部がｘ軸に交差する方向に延びている１対の延長部とを含んでいる。１対の駆動腕は、ｘ軸方向に互いに離れた位置にて主部からｙ軸方向に互いに並列に延びている。検出腕は、ｘ軸方向にて１対の駆動腕の間となる位置において主部からｙ軸方向に延びている。駆動回路は、１対の駆動腕がｘ軸方向において互いに逆側へ曲がって振動するように１対の駆動腕に互いに逆の位相の電圧を印加する。検出回路は、検出腕のｚ軸方向における曲げ変形により生じる信号を検出する。【選択図】図１

Description

本開示は、角速度センサおよび当該角速度センサに用いられるセンサ素子に関する。

角速度センサとして、いわゆる圧電振動式のものが知られている（例えば特許文献１）。このセンサにおいては、圧電体に交流電圧を印加して圧電体を励振する。この励振されている圧電体が回転されると、回転速度（角速度）に応じた大きさで、励振方向と直交する方向にコリオリの力が生じ、このコリオリの力によっても圧電体は振動する。そして、このコリオリの力に起因する圧電体の変形に応じて生じる電気信号を検出することにより、圧電体の角速度を検出することができる。

特開２００５−０３７２３５号公報

本開示の一態様に係る角速度センサは、圧電体と、前記圧電体に電圧を印加する駆動回路と、前記圧電体に生じる信号を検出する検出回路と、を有している。前記圧電体は、１対の支持部と、フレームと、１対の駆動腕と、検出腕と、を有している。前記１対の支持部は、直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向において互いに離れている。前記フレームは、ｘ軸に沿って延びている主部と、ｚ軸方向に見て、前記主部の両端と前記１対の支持部の内側とを接続しており、少なくとも一部がｘ軸に交差する方向に延びている１対の延長部とを含んでいる。前記１対の駆動腕は、ｘ軸方向に互いに離れた位置にて前記主部からｙ軸方向に互いに並列に延びている。前記検出腕は、ｘ軸方向にて前記１対の駆動腕の間となる位置において前記主部からｙ軸方向に延びている。前記駆動回路は、前記１対の駆動腕をｘ軸方向において互いに逆側へ曲げて振動させる互いに逆の位相の電圧を前記１対の駆動腕に印加する。前記検出回路は、前記検出腕のｚ軸方向またはｘ軸方向における曲げ変形により生じる信号を検出する。

本開示の一態様に係るセンサ素子は、圧電体を有しているとともに、前記圧電体に配置されている複数の励振電極、複数の検出電極および複数の配線を有している。前記圧電体は、１対の支持部と、フレームと、１対の駆動腕と、検出腕と、を有している。前記１対の支持部は、直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向において互いに離れている。前記フレームは、ｘ軸に沿って延びている主部と、ｚ軸方向に見て、前記主部の両端と前記１対の支持部の内側とを接続しており、少なくとも一部がｘ軸に交差する方向に延びている１対の延長部とを含んでいる。前記１対の駆動腕は、ｘ軸方向に互いに離れた位置にて前記主部からｙ軸方向に互いに並列に延びている。前記１対の検出腕は、ｘ軸方向にて前記１対の駆動腕の間となる位置において前記主部からｙ軸方向に延びている。前記複数の励振電極は、前記１対の駆動腕をｘ軸方向に励振する電圧を印加可能な配置で設けられている。前記複数の検出電極は、前記検出腕のｘ軸方向またはｚ軸方向の振動によって生じる信号を検出可能な配置で設けられている。前記複数の配線は、前記１対の駆動腕をｘ軸方向において互いに逆側へ曲げて振動させる互いに逆の位相が前記複数の励振電極から前記１対の駆動腕に印加される接続関係で前記複数の励振電極を接続している。

本開示の実施形態に係るセンサ素子の圧電体を示す斜視図である。 図２（ａ）は図１のセンサ素子の一部を拡大して示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）および図３（ｄ）は図１のセンサ素子の作用を説明するための模式図である。 図４（ａ）は第２実施形態に係るセンサ素子の一部を拡大して示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のIVｂ−IVｂ線における断面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は図４（ａ）のセンサ素子の作用を説明するための模式図である。 第３または第４実施形態に係るセンサ素子の構成を示す平面図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は図６のセンサ素子の作用を説明するための模式図である。 図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）および図８（ｄ）は図６のセンサ素子の作用を説明するための模式図である。 第５実施形態に係るセンサ素子の構成を示す平面図である 図９のＸ−Ｘ線における断面図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は図９のセンサ素子の作用を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して本開示に係る実施形態について説明する。以下の図面は、模式的なものである。従って、細部は省略されることがあり、また、寸法比率等は現実のものと必ずしも一致しない。また、複数の図面相互の寸法比率も必ずしも一致しない。

また、各図には、説明の便宜のために、直交座標系ｘｙｚを付している。直交座標系ｘｙｚは、センサ素子（圧電体）の形状に基づいて定義されている。すなわち、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、結晶の電気軸、機械軸および光軸を示すとは限らない。センサ素子は、いずれの方向が上方または下方として使用されてもよいものであるが、以下では、便宜上、ｚ軸方向の正側を上方として、上面または下面等の用語を用いることがある。また、単に平面視という場合、特に断りがない限り、ｚ軸方向に見ることをいうものとする。

同一または類似する構成については、「駆動腕７Ａ」、「駆動腕７Ｂ」のように、互いに異なるアルファベットの付加符号を付すことがあり、また、この場合において、単に「駆動腕７」といい、これらを区別しないことがある。

第２実施形態以降において、既に説明された実施形態の構成と共通または類似する構成について、既に説明された実施形態の構成に付した符号を用い、また、図示および／または説明を省略することがある。既に説明された実施形態の構成と対応（類似）する構成については、既に説明された実施形態の構成と異なる符号を付した場合においても、特に断りがない点は、既に説明された実施形態の構成と同様である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るセンサ素子１の構成を示す斜視図である。ただし、この図では、センサ素子１の表面に設けられる導電層の図示は基本的に省略されている。

センサ素子１は、例えば、ｘ軸回りの角速度を検出する圧電振動式の角速度センサ５１（符号は図２（ｂ））を構成するものである。センサ素子１は、圧電体３を有している。圧電体３に電圧が印加されて圧電体３が振動している状態で、圧電体３が回転されると、コリオリの力による振動が圧電体３に生じる。このコリオリの力による振動によって生じる電気信号（例えば電圧または電荷）を検出することによって角速度が検出される。具体的には、以下のとおりである。

（圧電体の形状）
圧電体３は、例えば、その全体が一体的に形成されている。圧電体３は、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。また、圧電体３の材料は適宜に選択されてよく、例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＰＺＴまたはシリコンである。

圧電体３において、電気軸乃至は分極軸（以下、両者を代表して分極軸のみに言及することがある。）は、ｘ軸に一致するように設定されている。分極軸は、所定の範囲（例えば１５°以内）でｘ軸に対して傾斜していてもよい。また、圧電体３が単結晶である場合において、機械軸および光軸は、適宜な方向とされてよいが、例えば、機械軸はｙ軸方向、光軸はｚ軸方向とされている。

圧電体３は、例えば、全体として厚さ（ｚ軸方向）が一定にされている。また、圧電体３は、例えば、概略、ｙ軸に平行な不図示の対称軸に対して線対称の形状に形成されている。

圧電体３は、例えば、フレーム５と、フレーム５から延びている１対の駆動腕７Ａおよび７Ｂならびに検出腕９と、フレーム５を支持している１対の実装腕１１とを有している。

１対の駆動腕７は、電圧（電界）が印加されることによって励振される部分である。検出腕９は、コリオリの力によって振動し、角速度に応じた電気信号を生成する部分である。フレーム５は、駆動腕７および検出腕９の支持、および駆動腕７から検出腕９への振動の伝達に寄与する部分である。実装腕１１は、不図示の実装基体（例えばパッケージの一部または回路基板）へセンサ素子１を実装することに寄与する部分である。

フレーム５は、例えば、全体として長尺であり、１対の実装腕１１に架け渡されている。従って、フレーム５は、平面視において、両端が支持された梁のように撓み変形が可能となっている。

フレーム５は、例えば、中央側の主部５ａと、その両端に位置する１対の延長部５ｂとを有している。主部５ａは、１対の駆動腕７および検出腕９が連結される部分となっている。１対の延長部５ｂは、１対の実装腕１１の内側（１対の実装腕１１の互いに対向する面）に接続される部分となっている。

主部５ａがｘ軸（１対の実装腕１１の対向方向）に沿って延びているのに対して、１対の延長部５ｂは、少なくとも一部がｘ軸に交差する方向に延びている。従って、フレーム５は、その全体がｘ軸に沿って延びている場合に比較して、長くなっている。その結果、フレーム５は、平面視において撓み変形しやすくなっている。

主部５ａは、例えば、直線状に延びている。主部５ａの横断面の形状は、例えば、全長に亘って概ね一定であり、また、概ね矩形である。主部５ａの幅（ｙ軸方向）および厚さ（ｚ軸方向）は、いずれが他方よりも大きくてもよい。

延長部５ｂは、例えば、主部５ａからｙ軸に沿って直線状に（ｙ軸に平行に）延び出ている延長本体部５ｂａと、延長本体部５ｂａと実装腕１１とを接続している接続部５ｂｂとを有している。

延長本体部５ｂａの横断面の形状は、例えば、全長に亘って概ね一定であり、また、概ね矩形である。延長本体部５ｂａの幅（ｘ軸方向）および厚さ（ｚ軸方向）は、いずれが他方よりも大きくてもよい。延長本体部５ｂａの幅は、主部５ａの幅よりも大きくてもよいし、同等でもよいし（図示の例）、小さくてもよい。

接続部５ｂｂは、例えば、ｘ軸に沿って直線状に（ｘ軸に平行に）延びている。また、接続部５ｂｂの横断面の形状は、全長に亘って概ね一定であり、また、概ね矩形である。接続部５ｂｂの幅（ｙ軸方向）および厚さ（ｚ軸方向）は、いずれが他方よりも大きくてもよい。接続部５ｂｂの幅は、主部５ａまたは延長本体部５ｂａの幅よりも大きくてもよいし、同等でもよいし（図示の例）、小さくてもよい。

フレーム５の各種寸法は適宜に設定されてよい。フレーム５は、後述するように、平面視において撓み変形することが予定されている。従って、フレーム５の幅は、比較的小さくされてよい。例えば、主部５ａ、延長本体部５ｂａおよび／または接続部５ｂｂの幅は、実装腕１１の幅（ｘ軸方向）以下もしくは実装腕１１の幅未満とされてよい。図示の例では、フレーム５のいずれの位置の幅も実装腕１１の幅よりも小さい。また、例えば、主部５ａ、延長本体部５ｂａおよび接続部５ｂｂの幅は、フレーム５の厚さの２倍以下、または１倍以下とされてよい。また、例えば、フレーム５の長さおよび幅は、平面視における撓み変形の固有振動数が、駆動腕７の、電圧印加によって励振される方向における固有振動数、および／または検出腕９の、コリオリの力によって振動する方向における固有振動数に近づくように調整されてよい。

駆動腕７は、フレーム５（主部５ａ）からｙ軸方向に延びており、その先端は自由端とされている。従って、駆動腕７は、片持ち梁のように撓み変形が可能となっている。１対の駆動腕７は、ｘ軸方向に互いに離れた位置にて互いに並列（例えば平行）に延びている。１対の駆動腕７は、例えば、フレーム５の中央を通り、ｙ軸に平行な不図示の対称軸に対して線対称の位置に設けられている。

後述するように（図３（ａ）および図３（ｂ））、１対の駆動腕７は、ｘ軸方向の励振によってフレーム５を平面視において撓み変形（振動）させることが意図されている。従って、例えば、１対の駆動腕７のフレーム５に対するｘ軸方向の位置は、１対の駆動腕７の振動によってフレーム５の撓み変形が大きくなるように適宜に設定されてよい。例えば、フレーム５のｘ軸方向における長さを３等分したときに、１対の駆動腕７は、両側の領域にそれぞれ位置している。

駆動腕７の具体的形状等は適宜に設定されてよい。例えば、駆動腕７は、長尺の直方体状とされている。すなわち、断面形状（ｘｚ平面）は矩形である。特に図示しないが、駆動腕７は、先端側部分において幅（ｘ軸方向）が広くなるハンマ形状とされていてもよい。１対の駆動腕７は、例えば、概略、互いに線対称の形状および大きさとされている。従って、両者の振動特性は互いに同等である。

駆動腕７は、後述するように、ｘ軸方向において励振される。従って、駆動腕７は、その幅（ｘ軸方向）が大きくなると、励振方向（ｘ軸方向）における固有振動数が高くなり、その長さ（別の観点では質量）が大きくなると、励振方向における固有振動数は低くなる。駆動腕７の各種の寸法は、例えば、駆動腕７の励振方向における固有振動数が励振させたい周波数に近くなるように設定される。

検出腕９は、フレーム５（主部５ａ）からｙ軸方向に延びており、その先端は自由端とされている。従って、検出腕９は、片持ち梁のように撓み変形が可能となっている。また、検出腕９は、１対の駆動腕７の間において、１対の駆動腕７に対して並列（例えば平行）に延びている。検出腕９は、例えば、フレーム５のｘ軸方向中央に位置し、および／または１対の駆動腕７の間の中央に位置している。

検出腕９の具体的形状等は適宜に設定されてよい。例えば、検出腕９は、長尺の直方体状とされている。すなわち、断面形状（ｘｚ平面）は矩形である。検出腕９は、先端側部分において幅（ｘ軸方向）が広くなるハンマ形状とされていてもよい（後述する図６の検出腕３０９参照）。

検出腕９は、後述するように、本実施形態においては、コリオリの力によってｚ軸方向に振動する。従って、検出腕９は、その厚さ（ｚ軸方向）が大きくなると、振動方向（ｚ軸方向）における固有振動数が高くなり、その長さ（別の観点では質量）が大きくなると、振動方向における固有振動数は低くなる。検出腕９の各種の寸法は、例えば、検出腕９の振動方向における固有振動数が、駆動腕７の励振方向における固有振動数に近くなるように設定される。検出腕９の長さは、例えば、駆動腕７の長さと同等である。ただし、両者は異なっていてもよい。

１対の実装腕１１は、例えば、ｙ軸方向を長手方向とする形状に形成されている。より具体的には、例えば、実装腕１１は、ｚ軸方向を厚み方向とする、平面形状が矩形の板状である。実装腕１１の幅（ｘ軸方向）は、例えば、上述のようにフレーム５の幅よりも広く、また、駆動腕７の幅（ｘ軸方向）および検出腕９の幅（ｘ軸方向）よりも広い。従って、実装腕１１は、他の部位（５、７および９）に比較して平面視において撓み変形（振動）し難くなっている。ただし、実装腕１１は、一部または全部において、他の部位のいずれかに比較して幅が狭くされていてもよい。実装腕１１の長さは、適宜に設定されてよい。

１対の実装腕１１の下面には、少なくとも４つのパッド１３が設けられている。パッド１３は、不図示の実装基体に設けられたパッドに対向し、その実装基体のパッドに対して半田乃至は導電性接着剤からなるバンプにより接着される。これにより、センサ素子１と実装基体との電気的な接続がなされ、また、センサ素子１（圧電体３）は、駆動腕７および検出腕９が振動可能な状態で支持される。４つのパッド１３は、例えば、１対の実装腕１１の両端に設けられている。

（励振電極、検出電極および配線）
図２（ａ）は、センサ素子１の一部を拡大して示す斜視図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図である。

センサ素子１は、駆動腕７に電圧を印加するための励振電極１５Ａおよび１５Ｂと、検出腕９に生じた信号を取り出すための検出電極１７Ａおよび１７Ｂと、これらを接続する複数の配線１９とを有している。これらは、圧電体３の表面に形成された導体層によって構成されている。導体層の材料は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ等の金属である。

励振電極１５および検出電極１７の付加符号Ａ、Ｂは、直交座標系ｘｙｚに基づいて付されている。従って、後述するように、一の駆動腕７の励振電極１５Ａと、他の駆動腕７の励振電極１５Ａとは同電位とは限らない。励振電極１５Ｂについても同様である。検出腕９が複数本設けられる態様（後述する実施形態）において、検出電極１７Ａおよび１７Ｂについても同様である。

励振電極１５Ａは、各駆動腕７において、上面および下面（ｚ軸方向の両側に面する１対の面）それぞれに設けられている。また、励振電極１５Ｂは、各駆動腕７において、１対の側面（ｘ軸方向の両側に面する１対の面）それぞれに設けられている。

後述する実施形態においては、フレーム５からｙ軸方向の負側に延びる駆動腕７が設けられることがある。そのような駆動腕７においても、励振電極１５の付加符号Ａは、上面および下面に対応し、励振電極１５の付加符号Ｂは、側面に対応するものとする。

各駆動腕７の上下左右の各面において、励振電極１５は、例えば、各面の大部分を覆うように形成されている。ただし、励振電極１５Ａおよび１５Ｂは、互いに短絡しないように、少なくとも一方（本実施形態では励振電極１５Ａ）が各面よりも幅方向において小さく形成されている。また、駆動腕７の根元側および先端側の一部も、励振電極１５の非配置位置とされてよい。

各駆動腕７において、２つの励振電極１５Ａは、例えば互いに同電位とされる。例えば、２つの励振電極１５Ａは、配線１９により互いに接続されている。また、各駆動腕７において、２つの励振電極１５Ｂは、例えば互いに同電位とされる。例えば、２つの励振電極１５Ｂは、配線１９により互いに接続されている。

このような励振電極１５の配置および接続関係において、励振電極１５Ａと励振電極１５Ｂとの間に電圧を印加すると、例えば、駆動腕７においては、上面から１対の側面（ｘ軸方向の両側）に向かう電界および下面から１対の側面に向かう電界が生じる。一方、分極軸は、ｘ軸方向に一致している。従って、電界のｘ軸方向の成分に着目すると、駆動腕７のうちｘ軸方向の一方側部分においては電界の向きと分極軸の向きは一致し、他方側部分においては電界の向きと分極軸の向きは逆になる。

その結果、駆動腕７のうちｘ軸方向の一方側部分はｙ軸方向において収縮し、他方側部分はｙ軸方向において伸長する。そして、駆動腕７は、バイメタルのようにｘ軸方向の一方側へ湾曲する。励振電極１５Ａおよび１５Ｂに印加される電圧が逆にされると、駆動腕７は逆方向に湾曲する。このような原理により、交流電圧が励振電極１５Ａおよび１５Ｂに印加されると、駆動腕７はｘ軸方向において振動する。

特に図示しないが、駆動腕７の上面および／または下面に、駆動腕７の長手方向に沿って延びる１以上の凹溝（当該凹溝は複数の凹部が駆動腕７の長手方向に配列されて構成されてもよい）が設けられ、励振電極１５Ａは、この凹溝内に亘って設けられてもよい。この場合、励振電極１５Ａと励振電極１５Ｂとが凹溝の壁部を挟んでｘ軸方向において対向することになり、励振の効率が向上する。

１対の駆動腕７においては、駆動腕７Ａの励振電極１５Ａと駆動腕７Ｂの励振電極１５Ｂとが同電位とされ、駆動腕７Ａの励振電極１５Ｂと駆動腕７Ｂの励振電極１５Ａとが同電位とされる。同電位とされるべき励振電極１５同士は、例えば、配線１９によって接続されている。

このような接続関係において励振電極１５Ａと励振電極１５Ｂとの間に交流電圧を印加すると、１対の駆動腕７は、互いに逆の位相の電圧が印加されることになり、ｘ軸方向において互いに逆向きに撓み変形するように振動する。

検出電極１７Ａは、検出腕９において、ｘ軸方向の負側に面する面のうちのｚ軸方向の正側（例えば当該面の中央よりも正側）の領域、およびｘ軸方向の正側に面する面のうちのｚ軸方向の負側（例えば当該面の中央よりも負側）の領域にそれぞれ設けられている。検出電極１７Ｂは、検出腕９において、ｘ軸方向の負側に面する面のうちのｚ軸方向の負側（例えば当該面の中央よりも負側）の領域、およびｘ軸方向の正側に面する面のうちのｚ軸方向の正側（例えば当該面の中央よりも正側）の領域にそれぞれ設けられている。

後述する実施形態においては、フレーム５からｙ軸方向の負側に延びる検出腕９が設けられることがある。そのような検出腕９においても、検出電極１７の付加符号Ａは、−ｘの側面の＋ｚの領域および＋ｘの側面の−ｚの領域に対応し、検出電極１７の付加符号Ｂは、−ｘの側面の−ｚの領域および＋ｘの側面の＋ｚの領域に対応するものとする。

検出腕９の各側面において、検出電極１７Ａおよび１７Ｂは、互いに短絡しないように適宜な間隔を空けて、検出腕９に沿って延びている。２つの検出電極１７Ａ同士は、例えば、配線１９により接続されている。また、２つの検出電極１７Ｂ同士は、例えば、配線１９により接続されている。

このような検出電極１７の配置および接続関係において、検出腕９がｚ軸方向に撓み変形すると、例えば、ｚ軸方向に平行な電界が生じる。すなわち、検出腕９の各側面においては、検出電極１７Ａと検出電極１７Ｂとの間に電圧が生じる。電界の向きは、分極軸の向きと、湾曲の向き（ｚ軸方向の正側または負側）とで決定され、ｘ軸方向の正側部分と負側部分とで互いに逆である。この電圧（電界）が検出電極１７Ａおよび検出電極１７Ｂに出力される。検出腕９がｚ軸方向に振動すると、電圧は交流電圧として検出される。電界は、上記のようにｚ軸方向に平行な電界が支配的であってもよいし、ｘ軸方向に平行で、ｚ軸方向の正側部分と負側部分とで互いに逆向きな電界の割合が大きくてもよい。いずれにせよ、検出腕９のｚ軸方向への撓み変形に応じた電圧が検出電極１７Ａと検出電極１７Ｂとの間に生じる。

複数の配線１９は、上述したように励振電極１５および検出電極１７を接続している。また、複数の配線１９は、電位の観点から２組に分けられた励振電極１５と、電位の観点から２組に分けられた検出電極１７との合計４組の電極と、４つのパッド１３とを接続している。複数の配線１９は、圧電体３の種々の部分の上面、下面および／または側面において適宜に配されることによって、その全体が圧電体３の表面に設けられる態様で、互いに短絡することなく、上述した接続を実現可能である。ただし、圧電体３上に位置する配線１９の上に絶縁層を設け、その上に他の配線１９を設けることによって、立体配線部が形成されても構わない。

図２（ｂ）に示すように、角速度センサ５１は、励振電極１５に電圧を印加する駆動回路１０３と、検出電極１７からの電気信号を検出する検出回路１０５とを有している。

駆動回路１０３は、例えば、発振回路および増幅器を含んで構成されており、所定の周波数の交流電圧を励振電極１５Ａと励振電極１５Ｂとの間に印加する。周波数は、角速度センサ５１内にて予め定められていてもよいし、外部の機器等から指定されてもよい。

検出回路１０５は、例えば、増幅器および検波回路を含んで構成されており、検出電極１７Ａと検出電極１７Ｂとの電位差を検出し、その検出結果に応じた電気信号を外部の機器等に出力する。より具体的には、例えば、上記の電位差は、交流電圧として検出され、検出回路１０５は、検出した交流電圧の振幅に応じた信号を出力する。この振幅に基づいて角速度が特定される。また、検出回路１０５は、駆動回路１０３の印加電圧と検出した電気信号との位相差に応じた信号を出力する。この位相差に基づいて回転の向きが特定される。

駆動回路１０３および検出回路１０５は、全体として制御回路１０７を構成している。制御回路１０７は、例えば、チップＩＣ（Integrated Circuit）によって構成されており、センサ素子１が実装される回路基板または適宜な形状の実装基体に実装されている。

（角速度センサの動作）
図３（ａ）および図３（ｂ）は、圧電体３の励振を説明するための模式的な平面図である。両図は、励振電極１５に印加されている交流電圧の位相が互いに１８０°ずれている。これらの模式図においては、フレーム５は直線状に描かれている。

上述のように、駆動腕７Ａおよび７Ｂは、励振電極１５に交流電圧が印加されることによってｘ軸方向において互いに逆向きに変形するように互いに逆の位相で励振される。

このとき、図３（ａ）に示すように、１対の駆動腕７が互いにｘ軸方向の外側（１対の駆動腕７が互いに離れる側）に撓むと、その曲げモーメントがフレーム５に伝わり、フレーム５はｙ軸方向の正側へ撓む。その結果、検出腕９がｙ軸方向の正側へ変位する。

逆に、図３（ｂ）に示すように、１対の駆動腕７が互いにｘ軸方向の内側（１対の駆動腕７が互いに近づく側）に撓むと、その曲げモーメントがフレーム５に伝わり、フレーム５はｙ軸方向の負側へ変位する。その結果、検出腕９がｙ軸方向の負側へ変位する。

従って、１対の駆動腕７が励振されることによって、検出腕９がｙ軸方向において振動することになる。

図３（ｃ）および図３（ｄ）は、コリオリの力による検出腕９の振動を説明するための模式的な斜視図である。図３（ｃ）および図３（ｄ）は、図３（ａ）および図３（ｂ）の状態に対応している。この図では、駆動腕７およびフレーム５の変形については図示が省略されている。

図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して説明したように圧電体３が振動している状態で、センサ素子１がｘ軸回りに回転されると、検出腕９は、ｙ軸方向に振動（変位）していることから、コリオリの力によって回転軸（ｘ軸）と振動方向（ｙ軸）とに直交する方向（ｚ軸方向）において振動（変形）する。この変形によって生じる信号（例えば電圧）は、上述のように検出電極１７によって取り出される。コリオリの力（ひいては検出される信号の電圧）は、角速度が大きいほど大きくなる。これにより、角速度が検出される。

以上のとおり、角速度センサ５１は、圧電体３、駆動回路１０３および検出回路１０５を有している。圧電体３は、１対の実装腕１１、フレーム５、１対の駆動腕７および検出腕９を有している。１対の実装腕１１は、直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向において互いに離れている。フレーム５は、ｘ軸に沿って延びている主部５ａと、ｚ軸方向に見て、主部５ａの両端と１対の実装腕１１の内側とを接続しており、少なくとも一部がｘ軸に交差する方向に延びている１対の延長部５ｂとを含んでいる。１対の駆動腕７は、ｘ軸方向に互いに離れた位置にて主部５ａからｙ軸方向に互いに並列に延びている。検出腕９は、ｘ軸方向にて１対の駆動腕７の間となる位置において主部５ａからｙ軸方向に延びている。駆動回路１０３は、１対の駆動腕７がｘ軸方向において互いに逆側へ曲がって振動するように１対の駆動腕７に互いに逆の位相の電圧を印加する。検出回路１０５は、検出腕９のｚ軸方向またはｘ軸方向（本実施形態ではｚ軸方向）における曲げ変形により生じる信号を検出する。

別の観点では、センサ素子１は、圧電体３、複数の励振電極１５、複数の検出電極１７および複数の配線１９を有している。圧電体３は、１対の実装腕１１、フレーム５、１対の駆動腕７および検出腕９を有している。１対の実装腕１１は、直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向において互いに離れている。フレーム５は、ｘ軸に沿って延びている主部５ａと、ｚ軸方向に見て、主部５ａの両端と１対の実装腕１１の内側とを接続しており、少なくとも一部がｘ軸に交差する方向に延びている１対の延長部５ｂとを含んでいる。１対の駆動腕７は、ｘ軸方向において互いに離れた位置にて主部５ａからｙ軸方向に互いに並列に延びている。検出腕９は、ｘ軸方向において１対の駆動腕７の間となる位置にて主部５ａからｙ軸方向に延びている。複数の励振電極１５は、１対の駆動腕７をｘ軸方向に励振する電圧を印加可能な配置で設けられている。複数の検出電極１７は、検出腕９のｚ軸方向またはｘ軸方向（本実施形態ではｚ軸方向）の振動によって生じる信号を検出可能な配置で設けられている。複数の配線１９は、１対の駆動腕７がｘ軸方向において互いに逆側へ曲がって振動するように複数の励振電極１５から１対の駆動腕７に互いに逆の位相が印加されるように複数の励振電極１５を接続している。

従って、１対の駆動腕７の励振によってフレーム５を湾曲（振動）させ、検出腕９を変位（振動）させ、この変位している検出腕９に作用するコリオリの力によって角速度を検出するという新たな振動態様による検出が可能になる。フレーム５は、ｘ軸に交差する方向に延びる部分（延長部５ｂ）を含んでいることから、例えば、フレーム５が１対の実装腕１１間に亘って直線状に延びる態様（このような態様も新規である）に比較して、湾曲しやすい。その結果、例えば、検出感度の向上と小型化とを両立させることが容易になる。

比較例としては、例えば、励振されている駆動腕にコリオリの力を作用させて振動させ、このコリオリの力による振動を検出腕に伝達するものが挙げられる。本実施形態では、そのような比較例とは異なり、検出腕に直接的にコリオリの力が作用する。その結果、例えば、検出感度が向上する。

また、比較例として、例えば、駆動腕の振動方向（ｘ軸方向）と同一方向において検出腕を曲げ変形（振動）させておき、この振動している検出腕にコリオリの力を作用させる態様が挙げられる。本実施形態は、そのような態様とは検出腕の振動方向が異なり、前述の比較例では角速度を検出できなかった回転軸（ｘ軸）について角速度を検出することが可能となる。

また、本実施形態では、検出腕９は、１対の駆動腕７の間の中央に位置している。

フレーム５の撓み変形は、１対の駆動腕７の間の中央において大きくなりやすい。そのような位置に検出腕９が位置していることによって、検出腕９の振幅を大きくして検出感度を大きくすることができる。特に、１対の駆動腕７とフレーム５の両端（支持される位置）とが同一の対称軸に対して線対称の配置である場合においては、検出腕９の振幅を最も大きくすることができる。上記において比較例として、駆動腕の振動方向において検出腕を曲げ変形（振動）させておき、その振動している検出腕にコリオリの力を作用させる技術について言及した。この比較例では、その原理上、例えば、１対の駆動腕の間の中央に対して線対称に１対の検出腕が配置されたり、音叉のように１本の駆動腕と１本の検出腕とが配置されたりしている。

また、本実施形態では、圧電体３は、フレーム５から延び、電圧が印加されて振動する腕として、１対の駆動腕７のみを有している（後述するように１対の駆動腕７と並列に延びる他の駆動腕７を設けることも可能である。）。すなわち、フレーム５から駆動腕７とは反対側（図示の例ではｙ軸方向の負側）に延びる他の駆動腕は設けられていない。

従って、例えば、１対の駆動腕７によってフレーム５に確実に撓み変形を生じさせることができる。比較例において、１対の駆動腕の中央に検出腕を位置させる場合がある（特許文献１参照）。この場合、比較例では、例えば、１対の駆動腕とは反対側へ延びる他の１対の駆動腕が設けられ、１対の駆動腕と同一の位相で他の１対の駆動腕が励振されている。すなわち、フレーム５に相当する基部において本実施形態のような湾曲が生じないようにされている。

＜第２実施形態＞
（角速度センサの構成）
図４（ａ）は、第２実施形態に係るセンサ素子２０１の一部を拡大して示す、図２（ａ）と同様の斜視図である。図４（ｂ）は、第２実施形態に係る角速度センサ２５１を示す、図２（ｂ）と同様の図であり、図４（ａ）のIVｂ−IVｂ線に対応する断面図を含んでいる。

第２実施形態に係る角速度センサ２５１は、第１実施形態に係る角速度センサ５１と同様に、１対の駆動腕７をｘ軸方向に振動させることによって、フレーム５を湾曲（振動）させ、ひいては、検出腕９をｙ軸方向に変位（振動）させる。そして、検出腕９に直接的にコリオリの力を作用させる。ただし、角速度センサ５１がｘ軸回りの回転を検出するものであったのに対して、角速度センサ２５１は、ｚ軸回りの回転を検出するものとされている。具体的には、以下のとおりである。

センサ素子２０１は、圧電体３、複数の励振電極１５、複数の検出電極２１７、複数のパッド１３（ここでは不図示）および複数の配線１９を有している。これらの符号から理解されるように、複数の検出電極２１７（これに関わる配線１９）を除いては、センサ素子２０１の基本的な構成は、概ね、第１実施形態のセンサ素子１と同様とされてよい。図１は、センサ素子２０１を示す斜視図として捉えられてよい。

ただし、本実施形態においては、検出腕９は、第１実施形態とは異なり、コリオリの力によってｘ軸方向に振動することが意図されている。このような相違に基づいて、各種の寸法は、第１実施形態と異なっていてよい。

例えば、検出腕９は、その幅（ｘ軸方向）が大きくなると、振動方向（ｘ軸方向）における固有振動数が高くなり、その長さ（別の観点では質量）が大きくなると、振動方向における固有振動数は低くなる。検出腕９の各種の寸法は、例えば、検出腕９の振動方向における固有振動数が、駆動腕７の励振方向における固有振動数に近くなるように設定される。例えば、検出腕９の長さおよび幅は、例えば、駆動腕７の長さおよび幅と同等である。ただし、両者の寸法は異なっていてもよい。

検出電極２１７Ａおよび２１７Ｂは、検出腕９のｘ軸方向の曲げ変形によって生じる信号を取り出すものであるので、例えば、駆動腕７をｘ軸方向に励振させるための励振電極１５Ａおよび１５Ｂと同様の構成とされる。従って、第１実施形態における励振電極１５についての説明は、励振電極１５を検出電極２１７に読み替えて、検出電極２１７についての説明としてよい。１対の検出電極２１７Ａ同士の接続、および１対の検出電極２１７Ｂ同士の接続についても同様である。

第１実施形態の説明において、駆動腕７の上面および／または下面に、励振電極１５Ａが配置される凹溝が設けられてもよいことについて言及した。同様に、第２実施形態の検出腕９は、その上面および／または下面に、検出電極２１７Ａが配置される凹溝が設けられてよい。

（角速度センサの動作）
第２実施形態における圧電体３の励振は、第１実施形態におけるものと同様である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、第２実施形態における圧電体３の励振状態を示している図として捉えられてよい。従って、１対の駆動腕７はｘ軸方向において互いに近接および離反するように振動し、検出腕９はｙ軸方向において変位（振動）する。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、コリオリの力による検出腕９の振動を説明するための模式的な平面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、図３（ａ）および図３（ｂ）の状態に対応している。

図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して説明したように圧電体３が振動している状態で、センサ素子１がｚ軸回りに回転されると、検出腕９は、ｙ軸方向に振動（変位）していることから、コリオリの力によって回転軸（ｚ軸）と振動方向（ｙ軸）とに直交する方向（ｘ軸方向）において振動（変形）する。この変形によって生じる信号（例えば電圧）は、検出電極２１７によって取り出されて検出回路１０５に入力される。コリオリの力（ひいては検出される信号の電圧）は、角速度が大きいほど大きくなる。これにより、角速度が検出される。

以上のとおり、本実施形態においても、フレーム５は、ｘ軸方向に互いに離れた１対の実装腕１１に架け渡され、駆動腕７は、ｘ軸方向に互いに離れた位置にてフレーム５の主部５ａからｙ軸方向に互いに並列に延び、検出腕９は、ｘ軸方向において１対の駆動腕７の間となる位置にて主部５ａからｙ軸方向に延び、駆動回路１０３は、１対の駆動腕７がｘ軸方向において互いに逆側へ曲がって振動するように１対の駆動腕７に互いに逆の位相の電圧を印加し（そのような電圧印加が可能に複数の励振電極１５が配置され）、検出回路１０５は、検出腕９の適宜な方向（本実施形態ではｘ軸方向）における曲げ変形により生じる信号を検出する（そのような検出が可能に複数の検出電極２１７が配置される）。

従って、第１実施形態と同様の効果が奏される。例えば、新たな振動態様による検出が可能になる。また、例えば、検出腕に直接にコリオリの力が作用し、検出感度の向上が期待される。また、例えば、駆動腕の振動方向（ｘ軸方向）と同一方向において検出腕を曲げ変形（振動）させておき、この振動している検出腕にコリオリの力を作用させる比較例では角速度を検出できなかった軸（ｚ軸）について角速度を検出することが可能となる。

＜第３および第４実施形態＞
第１および第２実施形態から理解されるように、本開示においては、ｘ軸回りの回転を検出する角速度センサと、ｚ軸回りの回転を検出する角速度センサとを比較すると、基本的には、その構成においては、検出電極１７および２１７（およびこれに係る配線１９）の構成が異なるだけであり、その作用においては、コリオリの力が作用する方向が異なるだけである。そこで、ｘ軸回りの回転を検出する第３実施形態に係る角速度センサと、ｚ軸回りの回転を検出する第４実施形態に係る角速度センサとを共に説明することとする。当該説明においては、両者の符号を同一図面に付すことがある。

（角速度センサの構成）
図６は、第３実施形態に係るセンサ素子３０１または第４実施形態に係るセンサ素子４０１の構成を示す平面図である。ただし、この図では、センサ素子の表面に設けられる導電層の図示は基本的に省略されている。

センサ素子３０１または４０１の圧電体３０３は、まず、第１および第２実施形態の圧電体３を２つ組み合わせたような形状を含んでいる。すなわち、圧電体３０３は、２つのユニット３０４Ａおよび３０４Ｂを有しており、各ユニット３０４は、フレーム３０５（３０５Ａまたは３０５Ｂ）と、フレーム３０５からｙ軸方向に互いに並列に延びる少なくとも１対（本実施形態では２対）の駆動腕７（７Ｃ〜７Ｊ）および検出腕３０９（３０９Ａまたは３０９Ｂ）とを有している。

２つのユニット３０４は、駆動腕７および検出腕３０９が延びる方向とは反対側同士を対向させるように配置されている。２つのユニット３０４間の距離は、例えば、フレーム３０５Ａおよび３０５Ｂが互いに接触しないように適宜に設定されてよい。２つのユニット３０４同士は、例えば、概略、同一の形状および大きさ（ｘ軸に平行な不図示の対称軸に対して線対称の形状および大きさ）である。

また、第１実施形態の圧電体３は、フレーム５を支持する部分として１対の実装腕１１を有していたのに対して、圧電体３０３は、フレーム３０５を支持する部分として枠状（環状）の実装枠３１１を有している。このような実装枠３１１は、例えば、１対の実装腕１１に比較して、振動が生じにくい。その結果、例えば、実装枠３１１と不図示の回路基板との間の接合のばらつきが検出精度に及ぼす影響が低減される。

実装枠３１１の平面視における形状は、例えば、概略、ｘ軸またはｙ軸に平行な４辺を有する矩形状である。実装枠３１１のうち、ｙ軸に平行な部分は、第１実施形態の１対の実装腕１１と同様に、フレーム３０５の両端が接続されてフレーム３０５を支持する１対の支持部３１１ａとなっている。２つのユニット３０４は、共通の実装枠３１１（共通の１対の支持部３１１ａ）に支持されている。４つのパッド１３は、実装枠３１１の適宜な位置に配置されてよい。図示の例では、４つのパッド１３は、実装枠３１１の４隅に配置されている。

実装枠３１１の横断面（各辺に直交する断面）の形状および寸法は、その全長に亘って一定であってもよいし、適宜に変化してもよい。図示の例では、横断面は、実装枠３１１の全長に亘って、矩形かつ一定の厚さ（ｚ軸方向）とされている。ただし、部位によって幅が異なっている。具体的には、ｘ軸に平行な辺（短辺）に対してｙ軸に平行な辺（長辺）は幅が狭くなっている。また、長辺内において、１対のフレーム３０５の接続部３０５ｂｂ間に位置する部分は、その外側に比較して幅が狭くなっている。短辺が相対的に太くされることにより、例えば、実装枠３１１の振動が抑制される。長辺の中央側が細くされることにより、例えば、駆動腕７から外部へ伝わる振動が吸収され、および／または外部からの衝撃が吸収される。

第１実施形態の圧電体３は、１本のフレーム５に対して１対の駆動腕７を有していたところ、圧電体３０３のユニット３０４は、１本のフレーム３０５に対して２対の駆動腕７を有している。後述するように（図６（ａ）および図６（ｂ））、互いに隣接する２本の駆動腕７同士（７Ｃおよび７Ｄの２本、７Ｅおよび７Ｆの２本、７Ｇおよび７Ｈの２本、ならびに７Ｉおよび７Ｊの２本）は、互いにｘ軸方向の同一側へ共に曲がるように同一の位相で電圧が印加される。従って、互いに隣接する２本の駆動腕７は、第１実施形態の１本の駆動腕７に相当すると捉えられてよい。このように第１実施形態の駆動腕７を２本に分割することによって、例えば、駆動腕７の長さを短くしても駆動腕７全体としての質量を確保することができ、ひいては、小型化と検出感度の向上とを両立できる。駆動腕７は、１本のフレームに対して２対よりも多く設けられてもよい。

互いに隣接する２本の駆動腕７の間の中央の位置（または各駆動腕７の位置）は、例えば、第１実施形態において説明した駆動腕７の位置と同様とされてよい。互いに隣接する２本の駆動腕７の距離は、適宜に設定されてよい。互いに隣接する２本の駆動腕７の形状および寸法は、例えば、概略、互いに同一である。ただし、互いに異なっていてもよい。圧電体３０３は、例えば、概略、不図示の対称軸（検出腕３０９）に対して線対称の形状であり、複数の駆動腕７の形状および配置も概ね線対称である。

第１実施形態の検出腕９は、横断面（ｘｚ断面）の形状が全長に亘って概ね一定であったのに対して、本実施形態の検出腕３０９は、先端において幅が広くなる、いわゆるハンマ形状とされている。ハンマ形状によって、例えば、検出腕３０９を長くすることなく検出腕３０９の質量を確保して、検出感度を向上させることができる。

フレーム３０５の形状および寸法は、第１実施形態のフレーム５と同様でよい。ただし、図６では、図１とは若干異なる形状および寸法が例示されている。具体的には、延長本体部３０５ｂａは、主部３０５ａよりも幅が狭くなっている。接続部３０５ｂｂは、ｘ軸に対して斜めに、かつ若干湾曲するように、また、実装枠３１１側ほど幅が広くなるように延びている。主部３０５ａの幅は、実装枠３１１の最も幅が狭い部分（長辺の中央側部分）と同等となっている。延長部３０５ｂの少なくとも一部が主部３０５ａよりも細くされることによって、例えば、平面視において主部３０５ａの両端が回転しやすくなる。その結果、例えば、検出腕３０９のｚ軸方向における変位を大きくして検出精度を向上させることができる。

ｘ軸回りの回転を検出するセンサ素子３０１（第３実施形態）は、２つのセンサ素子１（第１実施形態）を組み合わせたものに相当するから、センサ素子３０１の各ユニット３０４における励振電極１５および検出電極１７の構成および接続関係は、センサ素子１のものと同様でよい。同様に、ｚ軸回りの回転を検出するセンサ素子４０１（第４実施形態）は、２つのセンサ素子２０１（第２実施形態）を組み合わせたものに相当するから、センサ素子４０１の各ユニット３０４における励振電極１５および検出電極２１７の構成および接続関係は、センサ素子２０１のものと同様でよい。

互いに隣接する２本の駆動腕７は、第１実施形態の１本の駆動腕７に相当し、互いに同一位相で電圧が印加されるものであるから、この２本の駆動腕７間においては、励振電極１５Ａ同士が同電位とされ（例えば励振電極１５Ａ同士が配線１９によって接続され）、励振電極１５Ｂ同士が同電位とされる（例えば励振電極１５Ｂ同士が配線１９によって接続される）。

ユニット３０４間における、励振電極１５および検出電極１７（または２１７）の接続関係については、以下の動作の説明において説明する。

（角速度センサの動作）
図７（ａ）および図７（ｂ）は、第３または第４実施形態における圧電体３０３の励振状態を示す模式的な平面図であり、第１実施形態の図３（ａ）および図３（ｂ）に対応している。これらの模式図では、実装枠３１１は、支持部３１１ａの一部のみが示されている。また、フレーム３０５は、直線状に描かれている。

各ユニット３０４における励振は、第１実施形態における圧電体３の励振と基本的に同様である。ただし、各ユニット３０４においては、互いに隣接する２本の駆動腕７は、互いに同一側に共に曲がるように同一の位相で電圧が印加され、圧電体３の１本の駆動腕７に相当する。

２つのユニット３０４同士においては、例えば、検出腕３０９に対してｘ軸方向の同一側（正側または負側）に位置する駆動腕７同士がｘ軸方向の同一側に曲がるように同一の位相で電圧が印加される。従って、フレーム３０５Ａおよび３０５Ｂは、互いに逆方向へ撓む。また、検出腕３０９Ａおよび３０９Ｂは、互いに逆方向へ変位する。

上記のような電圧印加のために、例えば、検出腕３０９に対してｘ軸方向の同一側に位置する駆動腕７（７Ｃ、７Ｄ、７Ｇおよび７Ｈ、または７Ｅ、７Ｆ、７Ｉおよび７Ｊ）においては、励振電極１５Ａ同士が同一の電位とされ、励振電極１５Ｂ同士が同一の電位とされる。同電位となるべき励振電極１５同士は、例えば、複数の配線１９によって互いに接続されている。そして、全ての励振電極１５は、４つのパッド１３のうち２つを介して駆動回路１０３に接続されている。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、ｘ軸回りの回転を検出する第３実施形態に係るセンサ素子３０１における、コリオリの力による検出腕３０９の振動を説明するための模式的な斜視図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、図７（ａ）および図７（ｂ）の状態に対応している。これらの図において、フレーム３０５および駆動腕７の変形の図示は省略されている。

図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して説明したように圧電体３０３が振動している状態で、センサ素子３０１がｘ軸回りに回転されると、各ユニット３０４においては、第１実施形態と同様に、コリオリの力によって検出腕３０９がｚ軸方向に振動する。このとき、検出腕３０９Ａおよび３０９Ｂは、ｙ軸方向において互いに逆側へ変位する位相で振動しているから、ｘ軸回りの回転方向に対して同一側にコリオリの力を受ける。別の観点では、検出腕３０９Ａおよび３０９Ｂは、ｚ軸方向において互いに逆側へ曲がるように振動する。

このような検出腕３０９Ａおよび３０９Ｂにおいて生じる信号を加算するために、例えば、検出腕３０９Ａの検出電極１７Ａと検出腕３０９Ｂの検出電極１７Ｂとが接続され、検出腕３０９Ａの検出電極１７Ｂと検出腕３０９Ｂの検出電極１７Ａとが接続される。当該接続は、例えば、複数の配線１９によってなされる。そして、全ての検出電極１７は、４つのパッド１３のうち２つを介して検出回路１０５に接続されている。

図８（ｃ）および図８（ｄ）は、ｚ軸回りの回転を検出する第４実施形態に係るセンサ素子４０１における、コリオリの力による検出腕３０９の振動を説明するための模式的な平面図である。図８（ｃ）および図８（ｄ）は、図７（ａ）および図７（ｂ）の状態に対応している。これらの図において、フレーム３０５および駆動腕７の変形の図示は省略されている。

図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して説明したように圧電体３０３が振動している状態で、センサ素子４０１がｚ軸回りに回転されると、各ユニット３０４においては、第２実施形態と同様に、コリオリの力によって検出腕３０９がｘ軸方向に振動する。このとき、検出腕３０９Ａおよび３０９Ｂは、ｙ軸方向において互いに逆側に変位する位相で振動しているから、ｚ軸回りの回転方向に対して同一側にコリオリの力を受ける。別の観点では、検出腕３０９Ａおよび３０９Ｂは、ｘ軸方向において互いに逆側へ曲がるように振動する。

このような検出腕３０９Ａおよび３０９Ｂにおいて生じる信号を加算するために、例えば、検出腕３０９Ａの検出電極２１７Ａと検出腕３０９Ｂの検出電極２１７Ｂとが接続され、検出腕３０９Ａの検出電極２１７Ｂと検出腕３０９Ｂの検出電極２１７Ａとが接続される。当該接続は、例えば、複数の配線１９によってなされる。そして、全ての検出電極１７は、４つのパッド１３のうち２つを介して検出回路１０５に接続されている。

以上のとおり、第３または第４実施形態の角速度センサまたはセンサ素子は、第１または第２実施形態の角速度センサまたはセンサ素子を含むものであり、第１または第２実施形態の角速度センサまたはセンサ素子と同様の効果が奏される。例えば、新たな振動態様による検出が可能になる。

また、第３および第４実施形態では、圧電体３０３は、フレーム３０５、（少なくとも）１対の駆動腕７および検出腕３０９の組み合わせ（ユニット３０４）を有している。各ユニット３０４において、１対の駆動腕７、検出腕３０９および延長部３０５ｂは、主部３０５ａから互いに同一側へ延び出ている（平行である必要はない。）。圧電体３０３は、フレーム３０５の１対の駆動腕７が延び出る側とは反対側を互いに対向させて２つのユニット３０４を有している。２つのフレーム３０５は、共通の１対の支持部３１１ａに架け渡されている。

従って、例えば、２つのユニット３０４において検出された信号を加算することによって検出感度を向上させることができる。また、例えば、第１実施形態では、１対の実装腕１１の間かつｙ軸方向の負側の領域がデッドスペースになっているが、このようなスペースの有効利用が図られる。その結果、感度向上と小型化との両立が図られる。

また、２つのフレーム３０５の延長部３０５ｂが互いに逆側へ主部３０５ａから延び出るから、例えば、ｚ軸方向の片面または両面からのウェットエッチングによって圧電体３０３の平面形状を形成する際に、エッチング時間を短縮することが可能である。例えば、２つのフレームが１対の支持部３１１ａ間に亘ってｘ軸に沿って延びている場合（このような場合も既述のように新規である。）、圧電体３０３をｚ軸方向に貫通するスリットが２つのフレーム間に形成されるまでに長いエッチング時間を要することがある。しかし、２つのフレーム３０５から互いに逆側に延長部３０５ｂが延びていることにより、２つの主部３０５ａ間のスリットｓ１（図６）は、両端においてｙ軸方向に延びるスリットｓ２（図６）に接続される。その結果、２つの主部３０５ａ間は、ｚ軸方向だけでなく、スリットｓ２側からもエッチングされることになる。その結果、スリットｓ１が形成される時間が短縮される。別の観点では、同一のエッチング時間でスリットｓ１の幅を狭くすることができ、圧電体３０３を小型化することができる。

上記のようなエッチング時間の短縮効果は、圧電体３０３が単結晶からなり、当該単結晶がウェットエッチングに対して異方性を有し、かつｚ軸方向からのエッチングに関して、スリットｓ１の幅方向（ｙ軸方向）に面する結晶面によって生じるエッチングストップが、スリットｓ２の幅方向（ｘ軸方向）に面する結晶面によって生じるエッチングストップよりも生じやすい場合に顕著となる。一例として、水晶においては、電気軸、機械軸および光軸がｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に概ね平行である場合において、上記の効果が顕著となる。

ウェットエッチングによって単結晶からなる圧電体３０３を形成した場合、フレーム３０５の側面（ｘｙ平面に交差する面）は、結晶面（エッチングストップを生じた結晶面とは限らない。）によって構成されている。従って、圧電体３０３が単結晶からなり、２つのフレーム３０５のｘｙ平面に交差する面が結晶面によって構成されている場合、上記の効果が得られたといえる。

＜第５実施形態＞
（センサ素子）
図９は、第５実施形態に係るセンサ素子５０１の構成を示す平面図である。ただし、この図では、センサ素子５０１の表面に設けられる導電層の図示は基本的に省略されている。

センサ素子５０１は、第１実施形態のセンサ素子１と同様に、ｘ軸回りの角速度を検出するセンサ素子として構成されている。センサ素子５０１（圧電体５０３）は、主として、検出腕の形状が他の実施形態と相違する。

検出腕５０９（５０９Ａおよび５０９Ｂ）の形状以外は、他の実施形態と同様でよい。図示の例では、センサ素子５０１は、第３実施形態と同様に、２つのユニット５０４Ａおよび５０４Ｂを有する構成とされている。ただし、ユニット５０４を支持する部分は、第１実施形態と同様に、１対の実装腕１１とされている。また、各ユニット５０４のフレーム５Ａおよび５Ｂの具体的な形状および寸法は、第３実施形態よりも第１実施形態に近いものとされている。複数の励振電極１５の配置およびその接続関係は、第３実施形態と同様でよい。

検出腕５０９の全体としての位置および形状は、他の実施形態と同様でよい。すなわち、検出腕５０９は、少なくとも１対の駆動腕７の間に位置しており、フレーム５からｙ軸方向に延びている。

ただし、検出腕５０９は、フレーム５から延びている第１腕５２１（５２１Ａおよび５２１Ｂ）と、第１腕５２１の先端側かつ側方からフレーム５側へ延びている第２腕５２３とを有している。第２腕５２３の先端は、フレーム５に連結されておらず、自由端となっている。１対の第１腕５２１は、圧電体５０３の不図示の中心線に対して線対称の形状であり、その間に第２腕５２３が位置している。第１腕５２１および第２腕５２３の各種の寸法および両者の間の大小関係等は適宜に設定されてよい。

特に図示しないが、１本の第１腕５２１が圧電体５０３の中心線上においてフレーム５から延び、そのｘ軸方向両側において１対の第２腕５２３が第１腕５２１の先端からフレーム５へ延びていてもよい。

また、検出腕５０９は、ｚ軸方向に貫通し、検出腕５０９に沿って延びる１以上の貫通溝（符号省略）を有している。別の観点では、検出腕５０９は、互いに並列に延び、根元および先端において互いに連結されている複数の分割腕５２４を有している。本実施形態のように検出腕５０９が第１腕５２１および第２腕５２３を有している態様においては、第１腕５２１および第２腕５２３のいずれに貫通溝が設けられてもよく、図示の例では、双方に設けられている。

分割腕５２４の本数および寸法は、適宜に設定されてよい。図示の例では、各第１腕５２１は、２本の分割腕５２４によって構成され、第２腕５２３は、３本の分割腕５２４によって構成されている。

（検出電極）
図１０は、図９のＸ−Ｘ線における断面図である。

検出腕５０９においては、例えば、第１腕５２１および第２腕５２３それぞれに検出電極１７が設けられている。また、これら各腕（５２１、５２３）においては、複数の分割腕５２４それぞれに検出電極１７が設けられている。

各分割腕５２４における検出電極１７の配置は、第１実施形態と同様である。すなわち、最も紙面左側の分割腕５２４に符号を付して示すように、検出電極１７Ａは、各分割腕５２４において、−ｘの側面の＋ｚの領域および＋ｘの側面の−ｚの領域に設けられている。検出電極１７Ｂは、各分割腕５２４において、−ｘの側面の−ｚの領域および＋ｘの側面の＋ｚの領域に設けられている。

各分割腕５２４においては、検出電極１７Ａ同士が接続され、検出電極１７Ｂ同士が接続されている。従って、第１実施形態の検出腕９と同様に、分割腕５２４がｚ軸方向に撓むと、検出電極１７Ａおよび１７Ｂによって分割腕５２４の撓み量に応じた信号が取り出される。

第１腕５２１および第２腕５２３それぞれにおいては、複数の分割腕５２４間において、検出電極１７Ａ同士が接続され、検出電極１７Ｂ同士が接続されている。従って、各腕（５２１および５２３）がｚ方向に撓むと、各腕においては、複数の分割腕５２４の検出信号が加算される。

各検出腕５０９において、第１腕５２１と第２腕５２３との間においては、検出電極１７Ａと検出電極１７Ｂとが接続されている。従って、第１腕５２１および第２腕５２３は、ｚ軸方向において互いに逆側に曲がるように撓み変形したときに、互いの検出信号が加算される。

２本の第１腕５２１間においては、検出電極１７Ａ同士が接続され、検出電極１７Ｂ同士が接続されている。本実施形態とは異なり、１本の第１腕５２１の両側に２本の第２腕５２３を設けた場合においては、２本の第２腕５２３間においては、検出電極１７Ａ同士が接続され、検出電極１７Ｂ同士が接続される。

検出腕５０９Ａと検出腕５０９Ｂとの間においては、第３実施形態と同様に、検出電極１７Ａと検出電極１７Ｂとが接続される。従って、検出腕５０９Ａおよび５０９Ｂがｚ軸方向の互いに逆側にコリオリの力を受けて撓み変形するときに、両者において生じる信号が加算される。

複数の検出電極１７の接続は、例えば、配線１９によってなされている。２組に分けられた全ての検出電極１７は、配線１９によって４つのパッド１３のうち２つに接続され、ひいては、検出回路１０５に接続されている。

（角速度センサの動作）
複数の駆動腕７の励振は、第３実施形態（図７（ａ）および図７（ｂ））と同様である。従って、フレーム５Ａおよび５Ｂは、互いに逆側へ撓む。また、検出腕５０９Ａおよび５０９Ｂは、互いに逆側へ変位する。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、センサ素子５０１における、コリオリの力による検出腕５０９の振動を説明するための模式的な斜視図であり、図８（ａ）および図８（ｂ）の状態に対応している。これらの図では、フレーム５および駆動腕７の変形は図示が省略されている。

図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して説明した振動が生じている状態で、センサ素子５０１がｘ軸回りに回転されると、第３実施形態と同様に、検出腕５０９Ａおよび５０９Ｂは、ｚ軸方向において互いに逆側にコリオリの力を受ける。そして、２つの検出腕５０９において生じた信号は加算される。

各検出腕５０９において、第２腕５２３は、矢印ｙ１１で示すコリオリの力の方向へ曲がるように撓み変形する。また、このような撓み変形を第２腕５２３に生じさせる曲げモーメントは、矢印ｙ１２で示すように第１腕５２１に伝わり、第１腕５２１をコリオリの力の方向とは反対側へ曲がる撓み変形を生じさせるように第１腕５２１に作用する。従って、第１腕５２１と第２腕５２３とはｚ軸方向において互いに逆側に撓み変形することになる。

第１腕５２１および第２腕５２３それぞれにおけるｚ軸方向における撓み変形によって生じる信号（電圧）は、検出電極１７によって取り出される。そして、第１腕５２１および第２腕５２３において生じた信号は加算される。

以上の第５実施形態においても、フレーム５は、ｘ軸方向に互いに離れた１対の実装腕１１に架け渡され、駆動腕７は、ｘ軸方向に互いに離れた位置にてフレーム５の主部５ａからｙ軸方向に互いに並列に延び、検出腕５０９は、ｘ軸方向において１対の駆動腕７の間となる位置にて主部５ａからｙ軸方向に延び、駆動回路１０３は、１対の駆動腕７がｘ軸方向において互いに逆側へ曲がって振動するように１対の駆動腕７に互いに逆の位相の電圧を印加し（そのような電圧印加が可能に複数の励振電極１５が配置され）、検出回路１０５は、検出腕５０９のｚ軸方向における曲げ変形により生じる信号を検出する（そのような検出が可能に複数の検出電極１７が配置される）。

従って、第１実施形態と同様の効果が奏される。例えば、新たな振動態様による検出が可能になる。また、例えば、検出腕に直接にコリオリの力が作用し、検出感度の向上が期待される。

また、本実施形態では、検出腕５０９を複数の分割腕５２４によって構成したり、検出腕５０９を第１腕５２１および第２腕５２３によって構成したりしている。これにより、例えば、センサ素子５０１の小型化と検出感度の向上とを両立させることができる。

以上の第１〜第５実施形態において、実装腕１１および支持部３１１ａは支持部の一例である。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

上述した複数の実施形態は、適宜に組み合わされてよい。例えば、１対の実装腕１１と実装枠３１１とは置換可能である。第３および第４実施得形態の検出腕３０９のハンマ形状は第１および第２実施形態に適用されてもよい。第５実施形態の分割腕５２４は他のいずれの実施形態に適用されてもよい。第５実施形態の第１腕５２１および第２腕５２３は第１および第３実施形態に適用されてもよい。

圧電体は、ｙ軸方向の一方側に延びる（少なくとも）１対の駆動腕、およびｙ軸方向の他方側に延びる１本の検出腕のみを有する構成（２つ又のフォークのような形状）であってもよい。すなわち、１対の駆動腕と、検出腕とは、同一方向に（並列に）延びている必要はない。この場合、例えば、駆動腕と検出腕とがｘ軸方向において互いに当接するおそれがない。

１本のフレームから延びる駆動腕の本数と検出腕の本数との組み合わせは適宜である。例えば、１対の駆動腕に対して、ｙ軸方向の正側に延びる検出腕と、ｙ軸方向の負側に延びる検出腕とが設けられてもよい。また、１対の駆動腕の間に、互いに並列に延びる２本以上の検出腕が設けられてもよい。

また、例えば、１本のフレームから互いに逆側に延びる２対の駆動腕を設けてもよい。この場合、＋ｙ側に延びる１対の駆動腕と、−ｙ側に延びる１対の駆動腕とは、互いにｘ軸方向において逆側に振動するように（例えば＋ｙ側の１対の駆動腕が互いに離反するときは−ｙ側の１対の駆動腕は互いに近接するように）励振される。これにより、２対の駆動腕からのモーメントが１本のフレームに加算される。

第３および第４実施形態では、２つのユニット３０４は、駆動腕および検出腕が延び出る側とは反対側を対向させて共通の支持部に支持された。ただし、２つのユニット３０４は、駆動腕および検出腕が延び出る側を対向させて共通の支持部に支持されてもよい。

センサ素子または角速度センサは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の一部として構成されてよい。この場合において、ＭＥＭＳの基板上にセンサ素子を構成する圧電体が実装されてもよいし、ＭＥＭＳの基板が圧電体によって構成されており、その一部によってセンサ素子の圧電体が構成されてもよい。

フレームの延長部の形状は、Ｌ字またはＬ字に類するものに限定されない。延長部がｘ軸に交差（実施形態では直交）する部分を含む限り、フレーム全体がｘ軸に平行な場合に比較して、フレームは長くされる。例えば、延長部は、Ｕ字またはΩ字を含んでもよいし、Ｓ字のように蛇行する形状とされてもよい。上記の例示から理解されるように、延長部の両端（主部との接続位置および支持部との接続位置）のｙ軸方向の位置は、互いに同一であってもよい。ただし、延長部の形状がＬ字またはＬ字に類するもの（主部からｙ軸に沿って延び出る部分（延長本体部５ｂａ等）と、当該部分からｙ軸に交差する方向に延びて支持部に接続される部分（接続部５ｂｂ等）からなる形状）であれば、振動腕の励振によって生じるフレームの挙動の予測が容易であり、ひいては、設計が容易である。

１…センサ素子、３…圧電体、５…フレーム、５ａ…主部、５ｂ…延長部、７…駆動腕、９…検出腕、１１…実装腕（支持部）、５１…角速度センサ、１０３…駆動回路、１０５…検出回路。

Claims (8)

1. 圧電体と、
   前記圧電体に電圧を印加する駆動回路と、
   前記圧電体に生じる信号を検出する検出回路と、を有しており、
   前記圧電体は、
   直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向において互いに離れている１対の支持部と、
   ｘ軸に沿って延びている主部と、ｚ軸方向に見て、前記主部の両端と前記１対の支持部の内側とを接続しており、少なくとも一部がｘ軸に交差する方向に延びている１対の延長部とを含んでいるフレームと、
   ｘ軸方向に互いに離れた位置にて前記主部からｙ軸方向に互いに並列に延びている１対の駆動腕と、
   ｘ軸方向にて前記１対の駆動腕の間となる位置において前記主部からｙ軸方向に延びている検出腕と、を有しており、
   前記駆動回路は、前記１対の駆動腕をｘ軸方向において互いに逆側へ曲げて振動させる互いに逆の位相の電圧を前記１対の駆動腕に印加し、
   前記検出回路は、前記検出腕のｚ軸方向またはｘ軸方向における曲げ変形により生じる信号を検出する
   角速度センサ。
2. 前記１対の駆動腕、前記検出腕および前記１対の延長部は、互いに同一側へ前記主部から延び出ており、
   前記圧電体は、前記フレーム、前記１対の駆動腕および前記検出腕の組み合わせを、前記フレームの前記１対の駆動腕が延び出る側とは反対側を互いに対向させて２組有しており、
   ２つの前記フレームは、共通の前記１対の支持部に架け渡されている
   請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記圧電体は単結晶からなり、２つの前記フレームのｘｙ平面に交差する面は結晶面によって構成されている
   請求項２に記載の角速度センサ。
4. 前記検出回路は、前記検出腕のｚ軸方向における曲げ変形により生じる信号を検出する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の角速度センサ。
5. 前記検出回路は、前記検出腕のｘ軸方向における曲げ変形により生じる信号を検出する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の角速度センサ。
6. 前記検出腕は、前記１対の駆動腕の間の中央に位置している
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の角速度センサ。
7. 前記圧電体は、前記フレームから延び、電圧が印加されて振動する腕として、前記１対の駆動腕のみを有し、または前記１対の駆動腕および前記１対の駆動腕と並列に延びる腕のみを有している
   請求項６に記載の角速度センサ。
8. 圧電体と、
   前記圧電体に配置されている複数の励振電極、複数の検出電極および複数の配線と、を有しており、
   前記圧電体は、
   直交座標系ｘｙｚのｘ軸方向において互いに離れている１対の支持部と、
   ｘ軸に沿って延びている主部と、ｚ軸方向に見て、前記主部の両端と前記１対の支持部の内側とを接続しており、少なくとも一部がｘ軸に交差する方向に延びている１対の延長部とを含んでいるフレームと、
   ｘ軸方向に互いに離れた位置にて前記主部からｙ軸方向に互いに並列に延びている１対の駆動腕と、
   ｘ軸方向にて前記１対の駆動腕の間となる位置において前記主部からｙ軸方向に延びている検出腕と、を有しており、
   前記複数の励振電極は、前記１対の駆動腕をｘ軸方向に励振する電圧を印加可能な配置で設けられており、
   前記複数の検出電極は、前記検出腕のｘ軸方向またはｚ軸方向の振動によって生じる信号を検出可能な配置で設けられており、
   前記複数の配線は、前記１対の駆動腕をｘ軸方向において互いに逆側へ曲げて振動させる互いに逆の位相の電圧が前記複数の励振電極から前記１対の駆動腕に印加される接続関係で前記複数の励振電極を接続している
   センサ素子。

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