JP5023708B2

JP5023708B2 - 角速度センサ素子および角速度センサ装置

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Publication number: JP5023708B2
Application number: JP2007008151A
Authority: JP
Inventors: 隆男野口; 健一遠池; 健海野; 達男浪川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-01-17
Also published as: JP2008175632A

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２参照）が提案されている。
特開２００３−２２７７１９号公報特許第３６９４１６０号特開平８−１２８８３３号公報特開２００５−１０６４８１号公報

しかし、上記特許文献２，３の技術では、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。

そこで、図１５の角速度センサ素子１００に示したように、固定部１１０の両側（紙面の上下方向）に一対の検出腕１２０を設けると共に、固定部１１０のうち検出腕１２０と直交する方向（紙面の左右方向）に一対の連結腕１３０を設け、さらにその一対の連結腕１３０のそれぞれの端部に、検出腕１２０の延在方向と平行な方向に延在する一対の駆動腕１４０を設けることが考えられる。確かに、この場合には、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が、固定部１１０を介して駆動腕１４０と検出腕１２０とが結合されているので、固定部１１０を支持面（図示せず）に強く固定してしまうと、駆動腕１４０に働いたコリオリ力によって発生した歪みが固定部１１０を介して検出腕１２０に効率よく伝達され難くなってしまい、逆に、固定部１１０を支持面に弱くと固定すると、駆動腕１４０を駆動しているときに、固定部１１０だけでなく検出腕１２０までもがぐらついてしまうという問題がある。

この問題に対して、特許文献４では、水平面内で撓曲可能な複数のブリッジで一体に結合された取付支持部（図示せず）を固定部１１０の内部に設ける技術が提案されている。これにより、駆動腕１４０に働いたコリオリ力によって発生した連結腕１３０の歪みを固定部１１０を介して検出腕１２０に効率よく伝達することができる、としている。しかし、固定部１１０をこのような複雑な構造にすると、固定部１１０の固定が容易ではないという問題がある。

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、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、支持面に固定される固定部と、固定部に上下対称となるように連結されると共に、支持面と平行な面に沿って延在する一対の連結腕と、各連結腕に上下対称となるように２つずつ連結されると共に、支持面と平行な面に沿って延在し、かつそれぞれが第１の圧電素子を有する４つの検出腕とを備えている。本発明の角速度センサ素子は、また、各検出腕に左右対称となるように１つずつ連結されると共に、支持面と平行な面に沿って固定部側に延在し、かつそれぞれが第２の圧電素子を有する４つの第１の駆動腕と、各検出腕に左右対称となるように１つずつ連結されると共に、支持面と平行な面に沿って固定部とは反対側に延在し、かつそれぞれが第３の圧電素子を有する４つの第２の駆動腕とを備えている。本発明の角速度センサ素子は、さらに、各第１の駆動腕および各第２の駆動腕のうち、検出腕とは反対側の端部に１つずつ連結された４つの加重部を備えている。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、直接的に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および集積回路素子を備えており、上記集積回路素子は、各第２の圧電素子および各第３の圧電素子に駆動信号をそれぞれ送信すると共に、各第１の圧電素子からそれぞれ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、固定部を介さずに検出腕と第１の駆動腕とが連結されると共に検出腕と第２の駆動腕とが連結されているので、各第１の駆動腕および各第２の駆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検出腕に直接伝達される。また、２つの検出腕および２つの第１の駆動腕からなる腕と、２つの検出腕および２つの第２の駆動腕からなる腕とが固定部の両側にそれぞれ連結されているので、検出腕において、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、連結腕の幅を当該連結腕に連結された検出腕の幅よりも広く形成することが可能である。また、連結腕の厚さを当該連結腕に連結された検出腕の厚さよりも厚く形成することが可能である。

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、固定部を介さずに検出腕と第１の駆動腕とを連結すると共に検出腕と第２の駆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、各第１の駆動腕および各第２の駆動腕に働いたコリオリ力によって発生する歪みを検出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、２つの検出腕および２つの第１の駆動腕からなる腕と、２つの検出腕および２つの第２の駆動腕からなる腕とを固定部の両側にそれぞれ連結するようにしたので、横置き型でありながら、検出腕において、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。

このとき、第１の駆動腕および第２の駆動腕を互いに平行な方向に延在して形成したときには、コリオリ力によるモーメントを最大にすることができるので、角速度の検出精度がより一層向上する。

また、各第１の駆動腕を検出腕の固定部側に延在して形成すると共に、各第２の駆動腕を検出腕の固定部とは反対側に延在して形成した場合には、各第１の駆動腕および各第２の駆動腕を振動させたときに、それに伴って検出腕が振動しないようにすることが可能であり、そのようにした場合には、角速度の検出精度が向上する。

また、各第１の駆動腕および各第２の駆動腕のうち、検出腕とは反対側の端部に１つずつ加重部を連結した場合には、各第１の駆動腕および各第２の駆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、連結腕の幅を当該連結腕に連結された検出腕の幅よりも広く形成した場合や、連結腕の厚さを当該連結腕に連結された検出腕の厚さよりも厚く形成した場合には、連結腕の剛性が高くなるので、駆動振動を効率よく各第１の駆動腕および各第２の駆動腕に生じさせることができ、さらに、コリオリ力が発生した時に検出振動を効率よく連結腕に生じさせることができる。その結果、角速度の検出精度が向上する。

また、各第１の駆動腕を、連結腕の中心を対称軸として線対称に延在して形成し、各第２の駆動腕を、連結腕の中心を対称軸として線対称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１の駆動腕および各第２の駆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、連結腕の不要振動を低減することができる。また、一対の連結腕を、固定部を通り連結腕の延在方向と直交する直線を対称軸として線対称に延在して形成し、第１の駆動腕と第２の駆動腕とを、固定部を通り連結腕の延在方向と直交する直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。

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。

図１から図６を参照して、本発明の一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４２が形成されており、この集積回路支持部４２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４２の周囲であって、かつ集積回路支持部４２よりも浅いところに環状のセンサ素子支持部４１（支持面）が形成されており、この集積回路支持部４２上に集積回路支持部４２が両持梁状に配置されている。また、このセンサ素子支持部４１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４１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の上面構成図を、図４は図３のＡ−Ｂ、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４１に固定された固定部２０と、固定部２０の両側（図３では紙面の上側および下側）にそれぞれ連結された上連結腕２１および下連結腕２２と、上連結腕２１に連結された一対の上検出腕２３と、下連結腕２２に連結された一対の下検出腕２４と、各上検出腕２３に連結された上駆動腕２５と、各下検出腕２４に連結された下駆動腕２６と、各上駆動腕２５に連結された上加重部２７と、各下駆動腕２６に連結された下加重部２８とを有している。つまり、上連結腕２１、上検出腕２３、上駆動腕２５および上加重部２７からなる腕と、下連結腕２２、下検出腕２４、下駆動腕２６および下加重部２８からなる腕とが固定部２０の両側に設けられている。

ここで、上連結腕２１、上検出腕２３、上駆動腕２５および上加重部２７のそれぞれの名称に含まれる「上」とは、固定部２０の中心を対称軸として図３における紙面の上側に設けられていることを説明する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、下連結腕２２、下検出腕２４、下駆動腕２６および下加重部２８の名称に含まれる「下」とは、固定部２０の中心を対称軸として図３における紙面の下側に設けられていることを説明する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。

固定部２０は、上記した上連結腕２１から下加重部２８までの各要素を内部空間Ｇの中空に保持するためのものである。この固定部２０は、角速度センサ素子２の中央部分に設けられた矩形状の固定中央部２０Ａを有しており、この固定中央部２０Ａの両側（図３では紙面の右側および左側）に一対の固定梁部２０Ｂが連結されている。各固定梁部２０Ｂは上検出腕２１および下検出腕２２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。また、固定中央部２０Ａを一対の固定梁部２０Ｂを介して挟み込むようにして、一対の固定端部２０Ｃが一対の固定梁部２０Ｂのそれぞれの端部と連結されている。各固定端部２０Ｃは上検出腕２１および下検出腕２２の延在方向に延在する矩形状となっている。各固定端部２０Ｃの中央部分が固定梁部２０Ｂの端部と連結されており、各固定端部２０Ｃの底部がケース４のセンサ素子支持部４１の上面と接している。これにより、固定中央部２０Ａおよび固定梁部２０Ｂは固定端部２０Ｃによって内部空間Ｇの中空に保持されている。

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、上検出腕２１、下検出腕２２および一対の上駆動腕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。

上連結腕２１は、上記した上検出腕２３、上駆動腕２５および上加重部２７を内部空間Ｇの中空に保持するためのものである。この上連結腕２１は、固定中央部２０Ａの一の側面（図３では上側の側面）に連結されており、センサ素子支持部４１を含む面と平行な面内に延在すると共に固定中央部２０Ａから遠ざかる方向に延在して形成されている。

上連結腕２１は、例えば、その幅が上検出腕２３および上駆動腕２５のいずれの幅よりも広くなるように形成されていたり、その厚さが上検出腕２３および上駆動腕２５のいずれの厚さよりも厚くなるように形成されている。これにより、この上連結腕２１は、上検出腕２３および上駆動腕２５よりも高い剛性を有している。

下連結腕２２は、上記した下検出腕２４、下駆動腕２６および下加重部２８を内部空間Ｇの中空に保持するためのものである。この下連結腕２２は、固定中央部２０Ａの上連結腕２１とは反対側の他の側面に連結されており、センサ素子支持部４１を含む面と平行な面内に延在すると共に固定中央部２０Ａから遠ざかる方向に延在して形成されている。

下連結腕２２は、例えば、その幅が下検出腕２４および下駆動腕２６のいずれの幅よりも広くなるように形成されていたり、その厚さが下検出腕２４および下駆動腕２６のいずれの厚さよりも厚くなるように形成されている。これにより、この下連結腕２２は、下検出腕２４および下駆動腕２６よりも高い剛性を有している。

なお、上連結腕２１および下連結腕２２は、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。また、上連結腕２１および下連結腕２２は、固定中央部２０Ａを通り上連結腕２１の延在方向と直交する直線を対称軸として線対称に延在して形成されていることが好ましい。

上検出腕２３は、一対の上駆動腕２５に働いたコリオリ力によって発生した上駆動腕２５の歪みが当該上検出腕２３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。上検出腕２３は、上連結腕２１の固定中央部２０Ａとは反対側の端部（図３参照）またはその近傍（図４参照）に連結されており、この上検出腕２３の両端部を除く部位が上連結腕２１に連結されている。

下検出腕２４は、一対の下駆動腕２６に働いたコリオリ力によって発生した下駆動腕２６の歪みが当該下検出腕２４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。下連結腕２２の固定中央部２０Ａとは反対側の端部（図３参照）またはその近傍（図４参照）に連結されており、この下検出腕２４の両端部を除く部位が下連結腕２２に連結されている。

なお、上検出腕２３および下検出腕２４は、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。また、上検出腕２３および下検出腕２４は、固定中央部２０Ａを通り上検出腕２３の延在方向と直交する直線を対称軸として線対称に延在して形成されていることが好ましい。

上駆動腕２５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４１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２５にコリオリ力を生じさせるためのものである。各上駆動腕２５は、上検出腕２３の両端部またはその近傍に連結されており、センサ素子支持部４１を含む面と平行な面内に延在すると共に固定中央部２０Ａから遠ざかる方向に延在して形成されている。

なお、各上駆動腕２５は、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。また、各上駆動腕２５は、上連結腕２１を対称軸として線対称に延在して形成されていることが好ましい。また、上連結腕２１および各上駆動腕２５が、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。

下駆動腕２６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４１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、この下駆動腕２６にコリオリ力を生じさせるためのものである。各下駆動腕２６は、下検出腕２４の両端部またはその近傍に連結されており、センサ素子支持部４１を含む面と平行な面内に延在すると共に固定中央部２０Ａから遠ざかる方向に延在して形成されている。

なお、各下駆動腕２６は、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。また、各下駆動腕２６は、下連結腕２２を対称軸として線対称に延在して形成されていることが好ましい。また、下連結腕２２および各下駆動腕２６はが、互いに平行な方向に延在していることが好ましいが、互いに所定の角度で交差する方向に延在していてもよい。

また、各上駆動腕２５と各下駆動腕２６とが、互いに平行な方向に延在していることが好ましい。また、各上駆動腕２５と各下駆動腕２６とが、固定中央部２０Ａを通り上連結腕２１の延在方向と直交する直線を対称軸として線対称に延在して形成されていることが好ましい。

各上駆動腕２５の上検出腕２３とは反対側の端部またはその近傍には、上加重部２７が連結されている。この上加重部２７は、各上駆動腕２５の振動を大きくするためのものである。また、各下駆動腕２６の下検出腕２４とは反対側の端部またはその近傍には、下加重部２８が連結されている。この下加重部２８は、各下駆動腕２６の振動を大きくするためのものである。

ここで、固定部２０、上連結腕２１、下連結腕２２、上検出腕２３、下検出腕２４、上駆動腕２５、下駆動腕２６、上加重部２７および下加重部２８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。

また、各上検出腕２３の表面には、各上検出腕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、各上検出腕２３がケース４のセンサ素子支持部４１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、各上検出腕２３の延在方向に沿って並んで配置されていることが好ましい。

また、各下検出腕２４の表面には、各下検出腕２４の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子２４Ａ，２４Ｂが形成されている。これら一対の圧電素子２４Ａ，２４Ｂは、各下検出腕２４がケース４のセンサ素子支持部４１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、各下検出腕２４の延在方向に沿って並んで配置されていることが好ましい。

また、各上駆動腕２５の表面には、各上駆動腕２５の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子２５Ａ，２５Ｂが形成されている。これら一対の圧電素子２５Ａ，２５Ｂは、各上駆動腕２５をケース４のセンサ素子支持部４１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、各上駆動腕２５の延在方向に沿って並んで配置されていることが好ましい。

また、各下駆動腕２６の表面には、各下駆動腕２６の延在方向と平行な方向に延在する一対の圧電素子２６Ａ，２６Ｂが形成されている。これら一対の圧電素子２６Ａ，２６Ｂは、各下駆動腕２６をケース４のセンサ素子支持部４１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、各下駆動腕２６の延在方向に沿って並んで配置されていることが好ましい。

ここで、各圧電素子２３Ａ，２４Ａ，２５Ａ，２６Ａは、例えば、図５に示したように、上検出腕２３、下検出腕２４、上駆動腕２５または下駆動腕２６上に、絶縁層２３Ａ１，２４Ａ１，２５Ａ１，２６Ａ１と、下部電極２３Ａ２，２４Ａ２，２５Ａ２，２６Ａ２と、圧電体２３Ａ３，２４Ａ３，２５Ａ３，２６Ａ３と、上部電極２３Ａ４，２４Ａ４，２５Ａ４，２６Ａ４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２３Ｂ，２４Ｂ，２５Ｂ，２６Ｂは、例えば、図５に示したように、上検出腕２３、下検出腕２４、上駆動腕２５または下駆動腕２６上に、絶縁層２３Ｂ１，２４Ｂ１，２５Ｂ１，２６Ｂ１と、下部電極２３Ｂ２，２４Ｂ２，２５Ｂ２，２６Ｂ２と、圧電体２３Ｂ３，２４Ｂ３，２５Ｂ３，２６Ｂ３と、上部電極２３Ｂ４，２４Ｂ４，２５Ｂ４，２６Ｂ４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２３Ａ，２４Ａ，２５Ａ，２６Ａと、各圧電素子２３Ｂ，２４Ｂ，２５Ｂ，２６Ｂとは、互いに別体に形成されている。

なお、例えば、図６に示したように、絶縁層２３Ａ１，２４Ａ１，２５Ａ１，２６Ａ１と絶縁層２３Ｂ１，２４Ｂ１，２５Ｂ１，２６Ｂ１とを共通の絶縁層２３−１、２４−１、２５−１，２６−１で形成し、下部電極２３Ａ２，２４Ａ２，２５Ａ２と，２６Ａ２下部電極２３Ｂ２，２４Ｂ２，２５Ｂ２，２６Ｂ２とを共通の下部電極２３−２、２４−２、２５−２，２６−２で形成し、圧電体２３Ａ３，２４Ａ３，２５Ａ３，２６Ａ３と圧電体２３Ｂ３，２４Ｂ３，２５Ｂ３，２６Ｂ３とを共通の圧電体２３−３、２４−３、２５−３、２６−３で形成してもよい。

ここで、絶縁層２３Ａ１，２４Ａ１，２５Ａ１，２６Ａ１，２３Ｂ１，２４Ｂ１，２５Ｂ１，２６Ｂ１，２３−１、２４−１、２５−１，２６−１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２３Ａ２，２４Ａ２，２５Ａ２，２３Ｂ２，２４Ｂ２，２５Ｂ２，２６Ｂ２，２３−２、２４−２、２５−２，２６−２は、例えばＰｔ（１００）配向膜からなる。圧電体２３Ａ３，２４Ａ３，２５Ａ３，２６Ａ３，２３Ｂ３，２４Ｂ３，２５Ｂ３，２６Ｂ３，２３−３、２４−３、２５−３、２６−３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２３Ａ４，２４Ａ４，２５Ａ４，２６Ａ４，２３Ｂ４，２４Ｂ４，２５Ｂ４，２６Ｂ４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２５Ａ，２５Ｂを用いて上駆動腕２５を駆動すると共に、圧電素子２６Ａ，２６Ｂを用いて下駆動腕２６を駆動したときには、図７に角速度センサ素子２の構造を簡略化すると共にその一部を省略して示したように、上検出腕２３の延在方向と平行な方向ａに上駆動腕２５が主に振動すると共に、下検出腕２４の延在方向と平行な方向ｂに下駆動腕２６が主に振動する。

このとき、例えば、図８に角速度センサ素子２の構造を簡略化すると共にその一部を省略して示したように、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４１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が各上駆動腕２５にそれぞれ反対向きに働き、さらに、各下駆動腕２６にもそれぞれ反対向きに働く。これにより、各上駆動腕２５と各下駆動腕２６とが左右非対称に振動し始めると共に、上検出腕２３および下検出腕２４が固定中央部２０Ａとの連結部分を支点として左右方向ｃに振動し始める。これにより、このときの上検出腕２３の振動に応じた検出信号を圧電素子２３Ａ，２３Ｂから取り出すと共に、下検出腕２４の振動に応じた検出信号を圧電素子２４Ａ，２４Ｂ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、上連結腕２１、上検出腕２３、上駆動腕２５および上加重部２７からなる腕と、下連結腕２２、下検出腕２４、下駆動腕２６および下加重部２８からなる腕とが固定部２０の両側にそれぞれ連結されており、さらに、上連結腕２１および下連結腕２２の剛性が高くなっているので、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、横方向から加速度を受けたときには、上連結腕２１および下連結腕２２はほとんど変形せず、各上検出腕２３および各下検出腕２４が同じ方向に変位し、各上検出腕２３および各下検出腕２４には同位相の振動が発生する。そのため、各上検出腕２３から取り出される検出信号と、各下検出腕２４から取り出される検出信号との差をとることにより、横方向の加速度による振動の出力を相殺し、ノイズを低減することができる。このように、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、本実施の形態では、上駆動腕２５と上連結腕２１との間に梁としても機能する上検出腕２３が連結されると共に、下駆動腕２６と下連結腕２２との間に梁としても機能する下検出腕２４が連結されているので、コリオリ力が発生した時にコリオリ力をより大きなモーメントとして上駆動腕２５および下駆動腕２６にかけることができ、それにより上検出腕２３および下検出腕２４を比較的に大きな振幅で振動させることができる。その結果、角速度の検出精度が向上する。

また、本実施の形態では、上駆動腕２５が上検出腕２３の固定部２０とは反対側に延在して形成されると共に、下駆動腕２６が下検出腕２４の固定部２０とは反対側に延在して形成されているので、圧電素子２５Ａ，２５Ｂによって上駆動腕２５を振動させると共に、圧電素子２６Ａ，２６Ｂによって下駆動腕２６を振動させたときに、上駆動腕２５および下駆動腕２６を比較的大きな振幅で振動させることができる。これにより、角速度の検出感度が向上する。

ここで、各上駆動腕２５および各下駆動腕２６を互いに平行な方向に延在して形成したときには、コリオリ力によるモーメントを最大にすることができるので、角速度の検出精度がより一層向上する。

また、各上駆動腕２５を、上連結腕２１の中心を対称軸として線対称に延在して形成し、各下駆動腕２６を、下連結腕２２の中心を対称軸として線対称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、各上駆動腕２５および各下駆動腕２６を駆動する駆動回路を簡略化することができると共に、上検出腕２３および下検出腕２４の不要振動を低減することができる。

また、上検出腕２３と下検出腕２４とを、固定中央部２０Ａを通り上連結腕２１の延在方向と直交する直線を対称軸として線対称に延在して形成し、さらに、各上駆動腕２５と各下駆動腕２６とを、固定中央部２０Ａを通り北側検出腕２３の延在方向と直交する直線を基準線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、本実施の形態では、各上駆動腕２５の上検出腕２３とは反対側の端部に上加重部２７を連結して形成すると共に、各下駆動腕２６の下検出腕２４とは反対側の端部に下加重部２８を連結して形成したので、各上駆動腕２５および各下駆動腕２６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。これにより、角速度の検出精度が向上する。

なお、横方向の加速度の除去を容易にするためには、上検出腕２３および下検出腕２４の振幅および共振周波数を等しくすることが好ましい。こうすることによって、横方向からの加速度によって励振される振動が効率よく打ち消され、ノイズの低減が容易になる。また、横方向の加速度の除去を容易にするためには、各上駆動腕２５および各下駆動腕２６の振幅および共振周波数もお互いに等しくすることが好ましい。

具体的には、振動する部分の幅、長さ、上加重部２７および下加重部２８の質量や形状を変えることによって、共振周波数や振幅を調整することが可能となるため、これらの調整によって、上検出腕２３および下検出腕２４同士、あるいは各上駆動腕２５および各下駆動腕２６同士の振幅および共振周波数を等しくすることが望ましい。なかでも、上検出腕２３および下検出腕２４同士、あるいは各上駆動腕２５および各下駆動腕２６同士を固定部２０に対して線対称な形状とすることが最も好ましい。線対称にすることにより、振動がお互いに同じくなるため、ノイズを最も低減しやすくできる。なお、各上駆動腕２５および各下駆動腕２６と、上検出腕２３および下検出腕２４との間の共振周波数および振幅については、これらが異なっていることは駆動振動によるノイズを低減させることになるので、お互いの干渉を避けるうえでむしろ好ましく、これらを同じくする必要は特に無い。

また、本実施の形態では、固定部２０を介さずに上検出腕２３および各上駆動腕２５が連結されると共に、固定部２０を介さずに下検出腕２４および各下駆動腕２６が連結されているので、固定部２０の構造を複雑にしなくても、各上駆動腕２５に働いたコリオリ力によって発生する各上駆動腕２５の歪みを上検出腕２３に効率よく伝達することができると共に、各下駆動腕２６に働いたコリオリ力によって発生する各下駆動腕２６の歪みを下検出腕２４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４１への固定を容易にすることができる。

また、図３または図４の構成において、圧電素子２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂは、上検出腕２３と上連結腕２１とが交わる部位や、下検出腕２４と下連結腕２２とが交わる部位に配置されていてよい。これは、下記の各変形例においても同様である。

[第１変形例]
上記実施の形態では、各上駆動腕２５および上加重部２７を上検出腕２３の固定部２０とは反対側に連結すると共に、各下駆動腕２６および下加重部２８を下検出腕２４の固定部２０とは反対側に連結していたが、図９の角速度センサ素子６に示したように、各上駆動腕２５および上加重部２７を上検出腕２３の固定部２０側に連結すると共に、各下駆動腕２６および下加重部２８を下検出腕２４の固定部２０側に連結してもよい。この場合にも、上記実施の形態と同様、上連結腕２１、上検出腕２３、上駆動腕２５および上加重部２７からなる腕と、下連結腕２２、下検出腕２４、下駆動腕２６および下加重部２８からなる腕とが固定部２０の両側にそれぞれ連結されており、さらに、上連結腕２１および下連結腕２２の剛性が高くなっているので、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、上記実施の形態と同様、固定部２０を介さずに上検出腕２３および各上駆動腕２５が連結されると共に、固定部２０を介さずに下検出腕２４および各下駆動腕２６が連結されているので、固定部２０のセンサ素子支持部４１への固定を容易にすることができる。

さらに、この場合には、各上駆動腕２５および上加重部２７を上検出腕２３の固定部２０とは反対側に連結すると共に、各下駆動腕２６および下加重部２８を下検出腕２４の固定部２０とは反対側に連結した場合（上記実施の形態の場合）と比べて、角速度センサ素子６および角速度センサ装置１を小型化することができる。

なお、この場合には、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、圧電素子２５Ａ，２５Ｂを用いて各上駆動腕２５を駆動すると共に圧電素子２６Ａ，２６Ｂを用いて各下駆動腕２６を駆動したときには、図１０に角速度センサ素子６の構造を簡略化すると共にその一部を省略して示したように、上検出腕２３の延在方向と平行な方向ａに各上駆動腕２５が振動すると共に、下検出腕２４の延在方向と平行な方向ｂに各下駆動腕２６が振動する。

このとき、図１１に角速度センサ素子６の構造を簡略化すると共にその一部を省略して示したように、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４１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が各上駆動腕２５にそれぞれ反対向きに働き、さらに、各下駆動腕２６にもそれぞれ反対向きに働く。これにより、各上駆動腕２５および上検出腕２３と、各下駆動腕２６および下検出腕２４とが左右非対称に振動し始めると共に、上検出腕２３および下検出腕２４が左右方向ｃに振動し始めるので、このときの上検出腕２３の振動に応じた検出信号を圧電素子２３Ａ，２３Ｂから取り出すと共に、下検出腕２４の振動に応じた検出信号を圧電素子２４Ａ，２４Ｂから取り出すことにより、各速度を検出することができる。

[第２変形例]
上記実施の形態では、各上駆動腕２５および上加重部２７を上検出腕２３の固定部２０とは反対側にだけ連結すると共に、各下駆動腕２６および下加重部２８を下検出腕２４の固定部２０とは反対側にだけ連結していたが、図１２に本変形例に係る角速度センサ素子７を示したように、各上駆動腕２５および上加重部２７を上検出腕２３の固定部２０とは反対側にだけでなく上検出腕２３の固定部２０側にも連結すると共に、各下駆動腕２６および下加重部２８を下検出腕２４の固定部２０とは反対側にだけでなく下検出腕２４の固定部２０側にも連結してもよい。この場合にも、上記実施の形態と同様、上連結腕２１、上検出腕２３、上駆動腕２５および上加重部２７からなる腕と、下連結腕２２、下検出腕２４、下駆動腕２６および下加重部２８からなる腕とが固定部２０の両側にそれぞれ連結されており、さらに、上連結腕２１および下連結腕２２の剛性が高くなっているので、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、上記実施の形態と同様、固定部２０を介さずに上検出腕２３および各上駆動腕２５が連結されると共に、固定部２０を介さずに下検出腕２４および各下駆動腕２６が連結されているので、固定部２０のセンサ素子支持部４１への固定を容易にすることができる。

さらに、この場合には、各上駆動腕２５および各下駆動腕２６を振動させたときに各上駆動腕２５および各下駆動腕２６の振動に伴って上検出腕２３，下検出腕２４，上連結腕２１および下連結腕２２を振動しないようにすることが可能であり、そのようにした場合には、角速度の検出精度が向上する。

なお、この場合には、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、圧電素子２５Ａ，２５Ｂを用いて各上駆動腕２５を駆動すると共に圧電素子２６Ａ，２６Ｂを用いて各下駆動腕２６を駆動したときには、図１３に角速度センサ素子７の構造を簡略化すると共にその一部を省略して示したように、上検出腕２３の延在方向と平行な方向ａに４つの上駆動腕２５が振動すると共に、下検出腕２４の延在方向と平行な方向ｂに４つの下駆動腕２６が振動する。

このとき、図１４に角速度センサ素子７の構造を簡略化すると共にその一部を省略して示したように、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４１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が右側の上駆動腕２５と左側の上駆動腕２５とにそれぞれ反対向きに働き、さらに、右側の下駆動腕２６と左側の下駆動腕２６とにもそれぞれ反対向きに働く。これにより、各上駆動腕２５および上検出腕２３と、各下駆動腕２６および下検出腕２４とが左右非対称に振動し始めると共に、上検出腕２３および下検出腕２４が左右方向ｃに振動し始めるので、このときの上検出腕２３の振動に応じた検出信号を圧電素子２３Ａ，２３Ｂから取り出すと共に、下検出腕２４の振動に応じた検出信号を圧電素子２４Ａ，２４Ｂから取り出すことにより、各速度を検出することができる。

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。

本発明の一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１の角速度センサ装置の一変形例の上面構成図である。図３のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄ矢視方向の断面構成図である。図５の変形例を説明するための断面構成図である。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に簡略化して表した上面構成図である。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に簡略化して表した上面構成図である。第１変形例に係る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に簡略化して表した上面構成図である。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に簡略化して表した上面構成図である。第２変形例に係る角速度センサ素子の上面構成図である。図１２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に簡略化して表した上面構成図である。図１２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に簡略化して表した上面構成図である。従来の角速度センサ素子の上面構成図である。

符号の説明

１…角速度センサ装置、２，６，７…角速度センサ素子、３…集積回路素子、４…ケース、５…上蓋部、２０…固定部、２０Ａ…固定中央部、２０Ｂ…固定梁部、２０Ｃ…固定端部、２１…上連結腕、２２…下連結腕、２３…上検出腕、２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ…圧電素子、２３Ａ１，２４Ａ１，２５Ａ１，２６Ａ１，２３Ｂ１，２４Ｂ１，２５Ｂ１，２６Ｂ１，２３−１，２４−１，２５−１，２６−１…絶縁層、２３Ａ２，２４Ａ２，２５Ａ２，２６Ａ２，２３Ｂ２，２４Ｂ２，２５Ｂ２，２６Ｂ２，２３−２，２４−２，２５−２，２６−２…下部電極、２３Ａ３，２４Ａ３，２５Ａ３，２６Ａ３，２３Ｂ３，２４Ｂ３，２５Ｂ３，２６Ｂ３，２３−３，２４−３，２５−３，２６−３…圧電体、２３Ａ４，２４Ａ４，２５Ａ４，２６Ａ４，２３Ｂ４，２４Ｂ４，２５Ｂ４，２６Ｂ４…上部電極、２４…下検出腕、２５…上駆動腕、２６…下駆動腕、２７…上加重部、２８…下加重部、４１…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，ｃ，ｄ…振動方向、ｆ…コリオリ力、Ｇ…内部空間、ｒ…回転運動方向。

Claims

支持面に固定される固定部と、
前記固定部に上下対称となるように連結されると共に、前記支持面と平行な面に沿って延在する一対の連結腕と、
各連結腕に上下対称となるように２つずつ連結されると共に、前記支持面と平行な面に沿って延在し、かつそれぞれが第１の圧電素子を有する４つの検出腕と、
各検出腕に左右対称となるように１つずつ連結されると共に、前記支持面と平行な面に沿って前記固定部側に延在し、かつそれぞれが第２の圧電素子を有する４つの第１の駆動腕と、
各検出腕に左右対称となるように１つずつ連結されると共に、前記支持面と平行な面に沿って前記固定部とは反対側に延在し、かつそれぞれが第３の圧電素子を有する４つの第２の駆動腕と、
各第１の駆動腕および各第２の駆動腕のうち、前記検出腕とは反対側の端部に１つずつ連結された４つの加重部と
を備えた
ことを特徴とする角速度センサ素子。
前記第１の駆動腕および前記第２の駆動腕は互いに平行な方向に延在している
ことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ素子。
前記連結腕の幅は、当該連結腕に連結された検出腕の幅よりも広い
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。
前記連結腕の厚さは、当該連結腕に連結された検出腕の厚さよりも厚い
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。
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、
支持面に固定される固定部と、
前記固定部に上下対称となるように連結されると共に、前記支持面と平行な面に沿って延在する一対の連結腕と、
各連結腕に上下対称となるように２つずつ連結されると共に、前記支持面と平行な面に沿って延在し、かつそれぞれが第１の圧電素子を有する４つの検出腕と、
各検出腕に左右対称となるように１つずつ連結されると共に、前記支持面と平行な面に沿って前記固定部側に延在し、かつそれぞれが第２の圧電素子を有する４つの第１の駆動腕と、
各検出腕に左右対称となるように１つずつ連結されると共に、前記支持面と平行な面に沿って前記固定部とは反対側に延在し、かつそれぞれが第３の圧電素子を有する４つの第２の駆動腕と、
各第１の駆動腕および各第２の駆動腕のうち、前記検出腕とは反対側の端部に１つずつ連結された４つの加重部と
を備え、
前記集積回路素子は、各第２の圧電素子および各第３の圧電素子に駆動信号をそれぞれ送信すると共に、各第１の圧電素子からそれぞれ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。