JP5160974B2 - 二軸型角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、二軸回りの角速度を検出する二軸型角速度センサに関するものである。

デジタル画像を撮影する際の手振れを補正する技術として、デジタルカメラ等の製品に２つの一軸型角速度センサを内蔵して二軸回りの角速度を検出する技術がある。この一軸型角速度センサを内蔵するタイプでは、２つのセンサを内蔵するスペースを製品内に確保しなければならないため、製品の小型化の点で問題がある。

そこで特許第３４９２０１０号公報（特許文献１）に開示された二軸型角速度センサでは、固定状態におかれた中心部を中心にしてＸ軸に沿って相反する方向に延びる第１及び第２のアーム部と前記中心部を中心にしてＸ軸と直交するＹ軸に沿って相反する方向に延びる第３及び第４のアーム部とを備えた十字型の振動子を用いる。この振動子には、第１乃至第４のアーム部に電気−機械エネルギ変換素子が積層されている。振動子には、第１乃至第４のアーム部をＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸方向に変位させるように振動子を振動させるために、電気−機械エネルギ変換素子に電圧を印加する複数の駆動用電極が設けられている。また振動子の第１乃至第４のアーム部には、振動子が振動しているときに第１乃至第４のアーム部のＸ軸及びＹ軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧を電気−機械エネルギ変換素子から検出する複数の検出用電極が設けられている。このような構成の二軸型角速度センサでは、第１乃至第４のアーム部に設けられた駆動用電極に電圧が印加されると振動子の各アームがＺ軸方向に振動し、この状態で振動子がＸ軸及びＹ軸方向に移動する（加速度が生じる）と、コリオリ力により各アームがＸ軸及びＹ軸回りに回転して（角速度が生じて）、この角速度を各アーム部に設けられた検出用電極の出力から検出する。そして、検出した角速度からＸ軸及びＹ軸方向の振動子の加速度を測定する。このような二軸型角速度センサは、第１乃至第４のアーム部が一体に構成されているため、製品の小型化の点で有効である。
特許第３４９２０１０号公報

しかしながら、特許文献１に示された従来の二軸型角速度センサでは、振動子の中心部が固定されるため、Ｚ軸方向に振動可能な振動子の部分は第１乃至第４のアーム部のみとなる。そのため４つのアーム部の振動幅に対応したＸ軸及びＹ軸回りの角速度しか検出できない。その結果、振動子のＸ軸及びＹ軸方向の加速度が小さい場合には、Ｘ軸及びＹ軸回りの角速度の検出感度を高めることに限界があった。また、センサの感度を高くするためにＺ軸方向に大きな振動を与えて、できるだけ大きな角速度が得られるように振動子を設計することも考えられる。しかしながらこの場合でも、４つのアーム部が振動子の中心部の一箇所で固定された構成では、振動幅及び角速度が大きくなる分だけ振動子の固定状態が不安定になる。また第１乃至第４のアーム部がＺ軸方向に振動したときの衝撃及びＸ軸及びＹ軸回りに角速度が生じたときの衝撃が、振動子の中心部の一箇所に向かって集中的に伝播するため、振動子の中心部（固定部）における熱ひずみが大きくなる問題がある。

本発明の目的は、振動子のＺ軸方向の振動幅を大きくすることができる二軸型角速度センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、振動子の振動幅及び角速度が大きくなった場合でも、振動子を安定的に固定することができる二軸型角速度センサを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、固定部に発生する熱ひずみが小さい二軸型角速度センサを提供することにある。

本発明の第１のタイプの二軸型角速度センサは、非圧電材料からなる振動子と、この振動子に設けられた複数の電気−機械エネルギ変換素子と、これらの電気−機械エネルギ変換素子に対して設けられた複数の駆動用電極と、複数の電気−機械エネルギ変換素子のうち一部の電気−機械エネルギ変換素子に対して設けられた複数の検出用電極とを備えている。なお振動子を構成する非圧電材料としては、シリコン等のエッチングによる加工が容易な電子部品材料を用いることができる。

本発明で用いる振動子は、第１乃至第８のアーム部と、振動子の中心に位置する中心部とを備えている。第１乃至第８のアーム部のうち第１及び第２のアーム部は、振動子の中心部を中心にしてＸ軸に沿って相反する方向に延びるように構成されている。第３及び第４のアーム部は、中心部を中心にしてＸ軸と直交するＹ軸に沿って相反する方向に延びるように構成されている。第５及び第６のアーム部は、中心部を中心にしてＸ軸とＹ軸との間を延びる第１のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定された状態で構成されている。そして第７及び第８のアーム部は、第１のＸ−Ｙ軸と直交する第２のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定された状態で構成されている。本願明細書においてＸ軸及びＹ軸は、本発明における第１乃至第４のアーム部の構成を説明するために便宜的に定めた仮想の軸である。また第１及び第２のＸ−Ｙ軸は、Ｘ軸及びＹ軸が含まれる仮想平面上を延びる仮想の軸であって、本発明における第５乃至第８のアーム部の構成を説明するために便宜的に定めた仮想の軸である。

複数の電気−機械エネルギ変換素子は、複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子と複数の検出用電気−機械エネルギ変換素子とから構成されている。複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子は、振動子の第１乃至第８のアーム部にそれぞれ設けられている。また複数の検出用電気−機械エネルギ変換素子は、第１乃至第４のアーム部にそれぞれ設けられている。駆動用電気−機械エネルギ変換素子は、第１乃至第８のアーム部の表面上に設けてもよいが、各アーム部の内部に積層された状態で設けても良い。駆動用電気−機械エネルギ変換素子及び検出用電気−機械エネルギ変換素子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料を用いて形成することができる。この駆動用電気−機械エネルギ変換素子は、振動子の第１乃至第８のアーム部を介して、振動子が後述するＺ軸方向に振動するために必要な駆動エネルギを得るために電気エネルギを駆動エネルギに変換する。そして検出用電気−機械エネルギ変換素子は、振動子が振動する状態で移動したときにコリオリ力として生じる回転運動（角速度）のエネルギを電気エネルギに変換する機能を有する。

複数の駆動用電極は、第１乃至第８のアーム部に設けられた複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子に対して設けられている。これらの駆動用電極は、振動子の中心部をＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸方向に変位させるように振動子を励振する際に電圧が印加されるように構成されている。本願明細書においてＺ軸は、Ｘ軸及びＹ軸が含まれる仮想平面と直交する方向に延びる仮想軸であり、振動子が励振（振動）する方向を説明するために便宜的に定めた仮想の軸である。本発明のように非圧電材料からなる振動子を用いる場合は、例えば、駆動用電極を２つの電極層から構成し、駆動用電気−機械エネルギ変換素子を２つの電極層からなる駆動用電極で挟んだものを、第１乃至第８のアーム部の表面にそれぞれ配置すればよい。この場合において、これらの駆動用電極に電圧を印加すると、２つの電極層に挟まれた駆動用電気−機械エネルギ変換素子がＺ軸方向に励振するのに伴って第１乃至第８のアーム部がＺ軸方向に振動し、中心部を含む振動子全体が振動する。

複数の検出用電極は、第１乃至第４のアーム部に設けられた複数の検出用電気−機械エネルギ変換素子に対してそれぞれ設けられている。本発明のように非圧電材料からなる振動子を用いる場合は、検出用電気−機械エネルギ変換素子及び検出用電極の構成は、駆動用電気−機械エネルギ変換素子及び駆動用電極の構成と同様に、検出用電極を２つの電極層から構成し、検出用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）をこの２つの電極層からなる検出用電極で挟み、これらを第１乃至第４のアーム部の表面にそれぞれ配置した構成にすればよい。これらの検出用電極の出力からは、振動子が励振されているときに、第１乃至第４のアーム部のＸ軸及び／またはＹ軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧を検出する。

このような構成を有する本発明の二軸型角速度センサでは、以下のように角速度の検出が行われる。まず、第１乃至第８のアーム部に設けられた複数の駆動用電極に電圧が印可されると振動子がＺ軸方向に振動する。この状態でＸ軸方向及び／またはＹ軸方向に振動子が移動する（加速度が生じる）と、Ｘ軸回り及び／またはＹ軸回りにコリオリ力が生じて、第１、第２のアーム部及び／または第３、第４のアーム部はＸ軸回り及び／またはＹ軸回りに回転する（角速度が生じる）。この角速度を回転運動の変位量相当の電圧として第１乃至第４のアーム部に設けられた複数の検出用電極から得ることにより、振動子（第１乃至第４のアーム部）の変位量が検出される。そして、検出した振動子（第１乃至第４のアーム部）の変位量（または変位量相当の電圧）を振動子のＸ軸方向及び／またはＹ軸方向への加速度に換算することによって、振動子のＸ軸方向及び／またはＹ軸方向の加速度を測定することができる。

特に本発明の二軸型角速度センサでは、振動子の第１乃至第４のアーム部だけでなく第５乃至第８のアーム部もＺ軸方向に振動し、かつ振動子の中心部が固定されていないため、中心部を含めた振動子全体をＺ軸方向に大きな振動幅で振動させることができる。その結果、Ｘ軸方向及び／またはＹ軸方向への振動子の加速度が小さい場合でも、大きな角速度を得ることができるため、センサの検出感度を高めることができる。

また本発明の第５乃至第８のアーム部の端部が振動子の中心部とは反対側の位置に固定状態で設けられているため、振動子は中心部及び４つのアーム部（第５乃至第８のアーム部）を介して４つの固定部（第５乃至第８のアーム部の端部）に支持することができる。そのため、本発明のように振動子（第１乃至第８のアーム部及び中心部）のＺ軸方向の振動幅が大きくなった場合及び振動子（第１乃至第４のアーム部の端部）のＸ軸回り及び／またはＹ軸回りの回転運動（角速度）が大きくなった場合でも振動子を安定して固定することができる。

さらに本発明の二軸型角速度センサでは、第１乃至第４のアーム部から４つの固定部（第５乃至第８のアーム部の端部）までの距離が、従来の二軸型角速度センサ（振動子の中心部が固定部となる構成）における振動子のアーム部から中心部（固定部）までの距離よりも長くなる。そのため、振動子（第１乃至第４のアーム部）のＺ軸方向への振動並びにＸ軸及び／またはＹ軸回りの回転運動（角速度）による衝撃が振動子の固定部に伝播し難くなる。しかも前述の衝撃を４つのアーム部（第５乃至第８のアーム部の端部）を介して４つの固定部（第５乃至第８のアーム部の端部）に分散して伝播させることができる。その結果、振動子をバランス良く固定することができる上に、振動子の１つの固定部に発生する熱ひずみを従来よりも小さくすることができる。

この場合において、第１乃至第８のアーム部は、振動子の中心部を中心にして周方向に等間隔に並ぶように構成するのが好ましい。すなわち、第１乃至第４のアーム部に対して第５乃至第８のアーム部が、振動子の中心部を中心にして第１乃至第４のアーム部から４５度の角度だけ離れた位置に配置されるように構成するのが好ましい。このように構成すると、振動子（第１乃至第８のアーム部及び中心部）の振動時の衝撃及び第１乃至第４のアーム部の回転時の衝撃を、４つのアーム（第５乃至第８のアーム部）を介して４つ固定部（第５乃至第８のアーム部の端部）に実質的に均等に分散して伝播させることができる。その結果、振動子をよりバランス良く固定することができる上に、振動子の一部の固定部（第５乃至第８のアーム部の端部のうち一部の端部）に偏った熱ひずみが発生するのを防ぐことができる。

本発明の二軸型角速度センサにおいて、第１乃至第４のアーム部の中心部とは反対側に位置する端部に、それぞれ一体に形成された錘部を設けてもよい。このような錘部を設けると、振動子の第１乃至第４のアーム部が回転し易くなり、振動子の第１乃至第４のアーム部の長さを短くすることができるため、２軸角速度センサの小型化を実現することができる。また錘部の形状を、振動子の中心部の方向に突出する２つの突出部を有しかつ第１乃至第４のアーム部の端部と一体でほぼＥ字形を呈する形状にするのが好ましい。このようなＥ字形状の錘部を設けることにより、第１乃至第４のアーム部の回転運動を阻害することなく、回転運動が可能なスペースを利用して錘部の重さをできるだけ重くすることができる。

上述の二軸型角速度センサでは、８つのアーム部（第１乃至第８のアーム部）の全てに駆動用電極が設けられている。しかしながら、８つのアーム部のうち検出用電極が設けられた４つのアーム部（第１乃至第４のアーム部）のみに駆動用電極を設ける構成にしてもよいのは勿論である。第１乃至第４のアーム部のみに駆動用電極を設けた構成では、第１乃至第８のアーム部の全てに駆動用電極を設けた構成よりも振動子のＺ軸方向の振動の振動幅は小さくなる。しかしながら、第５乃至第８のアーム部を介して振動子の中心部から離れた位置にある４つの固定部（第５乃至第８のアーム部の端部）で振動子が固定されるため（すなわち振動子の中心部が固定部にならないため）、振動子の中心部が固定された従来の構成よりも振動子のＺ軸方向の振動の振動幅を大きくすることができる。

また、本発明の二軸型角速度センサで用いる振動子として、非圧電材料からなる振動子に代えて圧電材料からなる振動子を用いてもよいのは勿論である。振動子を構成する圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料を用いることができる。この圧電材料からなる振動子を用いた第２のタイプの二軸型角速度センサでは、上述した複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子を用いずに、複数の駆動用電極を、第１乃至第８のアーム部または第１乃至第４のアーム部に対して直接設けて、振動子の中心部をＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸方向に変位させるように振動子を励振する際に電圧が印加される構成にする。このような駆動用電極は、第１乃至第８のアーム部または第１乃至第４のアーム部の表面及びその表面に対向する裏面にそれぞれ電極層を配置するように構成にすればよい。すなわち、１つのアーム部を２つの電極層でＺ軸方向に挟むように駆動用電極を構成すればよい。このように構成した駆動用電極に電圧を印加すると、２つの電極層に挟まれた圧電材料からなる振動子の各アーム部がＺ軸方向に励振し、これに伴って第１乃至第８のアーム部または第１乃至第４のアーム部がＺ軸方向に振動することで振動子が振動する。

また圧電材料からなる振動子を用いる場合は、複数の検出用電極を、第１乃至第４のアーム部に設けて、振動子が励振されているときに、第１乃至第４のアーム部のＸ軸及びＹ軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧を検出するように構成する。このような検出用電極は、圧電材料の振動子を用いる場合の駆動用電極と同様の構造（１つのアーム部を２つの電極層でＺ軸方向に挟む構造）にすればよい。このような構造にした検出用電極は、振動子がＺ軸方向に励振されている状態で、圧電材料からなる振動子の第１乃至第４のアーム部がＸ軸及び／またはＹ軸回りに回転運動したときの角速度により生じた変位量相当の電圧を検出する。したがって、圧電材料からなる振動子を用いた場合でも、非圧電材料からなる振動子を用いた場合と同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、振動子の第１乃至第８のアーム部がＺ軸方向に振動し、かつ振動子の中心部が固定されないため、Ｚ軸方向に大きな振動幅で振動子全体を振動させることができる。そのため、Ｘ軸方向及び／またはＹ軸方向の振動子の加速度が小さい場合でも、Ｘ軸及び／またはＹ軸回りに大きな角速度を得ることができ、センサの検出感度を高めることができる。

本発明の二軸型角速度センサの実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である二軸型角速度センサの平面図であり、図２は図１を正面からＹ軸方向に視た正面図であり、図３は図１のIII−III線断面図であり、図４は図１の正面右側からＸ−Ｙ2 軸方向に視た図であり、図５は図１のＶ−Ｖ線断面図である。これらの図において、符号１は本実施の形態の一例である二軸型角速度センサである。二軸型角速度センサ１は、非圧電材料からなる振動子３と後述の各素子を備えている。本例では振動子３を形成する非圧電材料としてシリコンが用いられている。

振動子３は、振動子３の中心に位置する中心部５と８つのアーム部（第１乃至第８のアーム部７，９，１１，１３，１５，１７，１９，２１）とを備えている。これらのアーム部のうち第１及び第２のアーム部７，９は、振動子３の中心部５を中心にして図１に示す仮想のＸ軸に沿って相反する方向に延びるように形成されている。第３及び第４のアーム部１１，１３は、中心部５を中心にしてＸ軸と直交する仮想のＹ軸に沿って相反する方向に延びるように形成されている。第５及び第６のアーム部１５，１７は、中心部５を中心にしてＸ軸とＹ軸との間を延びる仮想のＸ−Ｙ1 軸（第１のＸ−Ｙ軸）に沿って相反する方向に延び且つ中心部５とは反対側に位置する端部１５ａ，１７ａがそれぞれ固定された状態で形成されている。そして第７及び第８のアーム部１９，２１は、Ｘ−Ｙ1 軸と直交する仮想のＸ−Ｙ2 軸（第２のＸ−Ｙ軸）に沿って相反する方向に延び且つ中心部５とは反対側に位置する端部１９ａ，２１ａがそれぞれ固定された状態で形成されている。端部１５ａ〜２１ａが固定される図示しない支持構造体は、端部１５ａ〜２１ａを固定した状態で、第１乃至第８のアーム部７〜２１がＺ軸方向に振動し、第１乃至第４のアーム部７〜１３がＸ軸回り及び／またはＹ軸回りに回転するのを許容するように構成されている。

振動子３には複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子２３及び複数の検出用電気−機械エネルギ変換素子２５が設けられている。このうち駆動用電気−機械エネルギ変換素子２３は、振動子３の第１乃至第８のアーム部７〜２１にそれぞれ設けられている。また検出用電気−機械エネルギ変換素子２５は、振動子３の第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３にそれぞれ設けられている。そして、駆動用電気−機械エネルギ変換素子２３は、振動子３の第１乃至第８のアーム部７〜２１を介して、電気を振動子３が振動するための駆動エネルギに変換する機能を有する。また、検出用電気−機械エネルギ変換素子２５は、後述の振動子３が振動する状態で移動したときにコリオリ力として生じる回転運動（角速度）のエネルギを電気に変換する機能を有する。

本例では第１乃至第８のアーム部７〜２１に設けられた駆動用電気−機械エネルギ変換素子２３に対して、複数の駆動用電極２７が設けられている。複数の駆動用電極２７は、第１乃至第８のアーム部７〜２１に設けられた複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子２３に対して設けられている。これらの駆動用電極２７は、振動子３の中心部５をＸ軸及びＹ軸と直交する仮想のＺ軸方向に変位させるように振動子３を励振する際に電圧が印加されるように構成されている。本例のように非圧電材料（シリコン）からなる振動子３を用いる場合は、駆動用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２３を２つの電極層２７ａ，２７ｂからなる駆動用電極２７で挟んで構成された積層体を、第１乃至第８のアーム部７〜２１の表面にそれぞれ配置した構造となっている。なお、本例では駆動用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２３及び駆動用電極２７からなる積層体は、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３上では、図１に示すように後述の検出用電極２９を配置するためのスペースを開けて形成されている。電極層２７ａ，２７ｂは金（Ａｕ）の薄膜をスパッタまたは蒸着により形成し、その後エッチングによって電極パターンを形成することにより構成する。

また、駆動用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２３はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて公知の薄膜形成技術により形成する。

また、本例では、図１に示すように、駆動用電極２７が、第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１の端部１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａには形成されない構造になっている。さらに、図１に示すように第１乃至第８のアーム部７〜２１上に設けられた複数の駆動用電極２７は、中心部５に形成された駆動用電極２７と同様の構造からなる積層体と一体に形成されている。このように構成された駆動用電極２７に電圧を印加すると、駆動用電極２７を構成する２つの電極層２７ａ，２７ｂに挟まれた駆動用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２３がＺ軸方向に励振するのに伴って第１乃至第８のアーム部７〜２１がＺ軸方向に振動し、中心部５を含む振動子３全体が振動する。

また本例では、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３に設けられた検出用電気−機械エネルギ変換素子２５に対して、複数の検出用電極２９が設けられている。本例のように非圧電材料（シリコン）からなる振動子３を用いる場合は、検出用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２５及び検出用電極２９の構造は、駆動用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２３及び駆動用電極２７の構造と同様に、検出用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２５を２つの電極層２９ａ，２９ｂからなる検出用電極２９で挟んで構成された積層体を、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の表面にそれぞれ薄膜形成技術により配置した構造となっている。なお、検出用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２５及び検出用電極２９からなる積層体は、図１に示すように第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３上の駆動用電極２７が形成されていないスペースに形成されている。電極層２９ａ，２９ｂは上述の電極層２７ａ，２７ｂと同様に構成する。

また、検出用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２５は、駆動用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２３と同様に形成されている
このように構成された検出用電極２９からは、振動子３が励振されているときに、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３のＸ軸及び／またはＹ軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧が出力される。

本例では、さらに第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の中心部５とは反対側に位置する端部７ａ，９ａ，１１ａ，１３ａに、それぞれ一体に形成された錘部３１が設けられている。この錘部３１の形状は、振動子３の中心部５の方向に突出する２つの突出部３１ａ，３１ｂを有しかつ第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の端部７ａ，９ａ，１１ａ，１３ａと一体に形成されて、Ｅ字形を呈する形状になっている。なお、図１に示すように、本例では、駆動用電極２７及び検出用電極２９が、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の端部７ａ，９ａ，１１ａ，１３ａ及び４つの錘部３１上には形成されない構造になっている。なお、本例では駆動用電極２７及び検出用電極２９を振動子３に形成した状態で振動子３（シリコン）をエッチング加工することにより、振動子３及び振動子３と一体に形成された錘部３１を形成する。

図６（Ａ）乃至（Ｃ）は、本例の二軸型角速度センサの振動子がＺ軸方向に振動する状態を説明する斜視図である。この図を参考にして二軸型角速度センサ１のセンサ機構を説明する。なお、理解を容易にするため、駆動用電極２７及び検出用電極２９の図示は省略している。まず、図６（Ｂ）の状態で第１乃至第８のアーム部７〜２１に設けられた複数の駆動用電極２７に電圧が印可されると、図６（Ａ）及び（Ｃ）のように振動子３がＺ軸方向に振動する。具体的には、図６（Ａ）に示すように振動子３の中心部５がＺ軸の−方向（下方向）に移動すると、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の中心部５とは反対側に位置する端部７ａ，９ａ，１１ａ，１３ａがＺ軸の＋方向（上方向）に移動する。また図６（Ｃ）に示すように振動子３の中心部５がＺ軸の＋方向（上方向）に移動すると、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の中心部５とは反対側に位置する端部７ａ，９ａ，１１ａ，１３ａがＺ軸の−方向（下方向）に移動する。このように振動子３がＺ軸方向に振動する状態でＸ軸方向及び／またはＹ軸方向に振動子３が移動する（加速度が生じる）と、Ｘ軸回り及び／またはＹ軸回りにコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、第１、第２のアーム部７，９及び／または第３、第４のアーム部１１，１３がＸ軸回り及び／またはＹ軸回りに回転する（角速度が生じる）。第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３に設けられた検出用電極２９から、この角速度による回転運動の変位量（変位量相当の電圧）が出力される。そして、検出した第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の変位量（または変位量相当の電圧）を振動子３のＸ軸方向及び／またはＹ軸方向への加速度に換算すれば、振動子３のＸ軸方向及び／またはＹ軸方向の加速度を測定することができる。

本例の二軸型角速度センサ１では、振動子３の第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３だけでなく第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１もＺ軸方向に振動し、かつ振動子３の中心部５が固定されていないため、中心部５を含めた振動子３全体をＺ軸方向に大きな振動幅で振動させることができる。その結果、Ｘ軸方向及び／またはＹ軸方向への振動子の加速度が小さい場合でも、大きな角速度を得ることができるため、センサの検出感度を高めることができる。また本発明の第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１の端部１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａが振動子３の中心部５とは反対側の位置に固定状態で設けられているため、振動子３は中心部５及び４つのアーム部（第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１）を介して４つの固定部（第５乃至第８のアーム部の端部１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａ）に支持することができる。そのため、本例のように振動子３（第１乃至第８のアーム部７〜２１及び中心部５）のＺ軸方向の振動幅が大きくなった場合及び振動子３（第１乃至第４のアーム部の端部７ａ，９ａ，１１ａ，１３ａ）のＸ軸回り及び／またはＹ軸回りの回転運動（角速度）が大きくなった場合でも振動子３を安定して固定することができる。さらに、本例の二軸型角速度センサでは、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３から４つの固定部（第５乃至第８のアーム部の端部１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａ）までの距離が、振動子の中心部が固定部となる従来の二軸型角速度センサにおける振動子のアーム部の端部から中心部（固定部）までの距離よりも長くなる。そのため、振動子３（第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３）のＺ軸方向への振動による衝撃並びにＸ軸及び／またはＹ軸回りの回転運動（角速度）による衝撃が振動子３の固定部５に伝播し難くなる。しかもその衝撃を４つのアーム部（第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１）を介して４つの固定部（第５乃至第８のアーム部の端部１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａ）に分散して伝播させることができる。その結果、振動子３をバランス良く固定することができる上に、振動子３の１つの固定部に発生する熱ひずみを小さくすることができる。また本例では錘部３１が設けられているため、振動子３の第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３が回転し易くなり、振動子３の第１乃至第４のアーム部の長さを短くすることができ、２軸角速度センサの小型化が容易になる。また錘部３１を本例のようなＥ字形状にすると、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の回転運動を阻害することなく、回転運動が可能なスペースを利用して錘部３１の重さをできるだけ重くすることが可能になる。

さらに本例では、図１に示すように、第１乃至第８のアーム部７〜２１が、振動子３の中心部５を中心にして等間隔に並ぶように形成されている。具体的には、第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３に対して第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１が、振動子３の中心部５を中心にして第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３から４５度の角度だけ離れた位置に配置されるように構成する。このような構成にすると、振動子３（第１乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１及び中心部５）の振動時の衝撃及び第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３の回転時の衝撃を、４つのアーム（第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１）を介して４つ固定部（第５乃至第８のアーム部の端部１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａ）に均等に分散して伝播させることができる。その結果、振動子３をよりバランス良く固定することができるだけでなく、振動子３の一部の固定部（第５乃至第８のアーム部の端部１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａのうち一部の端部）に偏った熱ひずみが発生するのを防ぐことができる。

なお、図１乃至図５に示す二軸型角速度センサにおいて、８つのアーム部（第１乃至第８のアーム部７〜２１）の全てに駆動用電極２７を設けずに、８つのアーム部のうち検出用電極２９が設けられた４つのアーム部（第１乃至第４のアーム部）のみに駆動用電極２７を設けてもよい。第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３のみに駆動用電極２７を設ける図示しない構成を採用すると、第１乃至第８のアーム部７〜２１の全てに、駆動用電気−機械エネルギ変換素子２３及び駆動用電極２７を設けた構成と比較して、駆動用電気−機械エネルギ変換素子２３が第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１に形成されない分だけ振動子３のＺ軸方向の振動の振動幅は小さくなる。しかしながら、第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１を介して振動子３の中心部５から離れた位置にある４つの固定部（第５乃至第８のアーム部の端部１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａ）で振動子３が固定されるため（すなわち振動子３の中心部５が固定部にならないため）、振動子３の中心部５が固定される従来の二軸型角速度センサとの比較では、従来の二軸型角速度センサよりも振動子３のＺ軸方向の振動幅を大きくすることができる。

次に本発明の二軸型角速度センサの実施の形態の他の一例について説明する。図７は本発明の実施の形態の他の一例である二軸型角速度センサの平面図であり、図８は図７を正面からＹ′軸方向に視た正面図であり、図９は図７のIX−IX線断面図であり、図１０は図７の正面右側からＸ−Ｙ2′軸方向に視た図であり、図１１は図７のXI−XI線断面図である。この他の一例において、上述の図１乃至図５に示す一例と共通する部分については、図１乃至図５に付された符号の数に１００の数を加えた数の符号を図７乃至図１０に付して説明を省略する。図７乃至図１１に示す例では、二軸型角速度センサの振動子として圧電材料からなる振動子１０３を採用する。この例では、振動子１０３をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電バルクを用いて形成する。本例のように圧電材料（ＰＺＴ）からなる振動子１０３を用いる場合は、上述の複数の電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）２３及び２５は採用しない。この場合は、複数の駆動用電極１２７を、第１乃至第８のアーム部１０７，１０９，１１１，１１３，１１５，１１７，１１９，１２１に対して直接設けて、振動子１０３の中心部１０５をＸ′軸及びＹ′軸と直交するＺ′軸方向に変位させるように振動子１０３を励振する際に電圧が印加されるように構成にする。具体的には第１乃至第８のアーム部１０７〜１２１の表面及びその表面に対向する裏面にそれぞれ電極層１２７ａ，１２７ｂ（駆動用電極１２７）を形成する。すなわち、１つのアーム部を駆動用電極１２７を構成する２つの電極層１２７ａ，１２７ｂでＺ′軸方向に挟むように構成する。このように構成した駆動用電極１２７に電圧を印加すると、２つの電極層１２７ａ，１２７ｂに挟まれた圧電材料（ＰＺＴ）からなる振動子１０３の各アーム部１０７〜１２１がＺ′軸方向に励振し、これに伴って第１乃至第８のアーム部１０７〜１２１がＺ′軸方向に振動することで、中心部１０５を含む振動子１０３が振動する。

そして圧電材料からなる振動子１０３を用いる本例では、複数の検出用電極１２９を、第１乃至第８のアーム部１０７〜１２１に設けて、振動子１０３が励振されているときに、第１乃至第８のアーム部１０７〜１２１のＸ′軸及びＹ′軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧を検出するように構成する。このような検出用電極１２９は、圧電材料（ＰＺＴ）からなる振動子１０３を用いる場合の駆動用電極１２７と同様の構造（１つのアーム部を２つの電極層１２７ａ，１２７ｂでＺ′軸方向に挟む構造）になっている。このような構造にした検出用電極１２９は、振動子１０３がＺ′軸方向に励振されている状態で、圧電材料（ＰＺＴ）からなる振動子１０３の第１乃至第４のアーム部１０７，１０９，１１１，１１３がＸ′軸及び／またはＹ′軸回りに回転運動したときの角速度により生じた変位量相当の電圧を検出する。したがって、圧電材料（ＰＺＴ）からなる振動子１０３を用いた場合でも、非圧電材料からなる振動子３を用いた場合と同様の効果（センサの検出感度を高める効果、振動子を安定して固定する効果、固定部に発生する熱ひずみを小さくする効果等）を得ることができる。

なお、この他の一例においても、図１乃至図５に示す一例と同様に、８つのアーム部（第１乃至第８のアーム部１０７〜１２１）の全てに駆動用電極１２７を設けずに、８つのアーム部のうち検出用電極１２９が形成される４つのアーム部（第１乃至第４のアーム部１０７，１０９，１１１，１１３）のみに駆動用電極１２７を設ける構成を採用しても良いのは勿論である。

以下、本実施の形態について、二軸型角速度センサのＺ軸方向の振動幅を測定した。実施例１は、８つのアーム部（第１乃至第８のアーム部７〜２１）の全てに駆動用電極２７を配置する構成とした（図１乃至図５に示す一例）。また実施例２は、８つのアーム部のうち検出用電極２９が形成される４つのアーム部（第１乃至第４のアーム部７，９，１１，１３）のみに駆動用電極２７を配置する構成とした（図示しない構成）。実施例３は、実施例１において非圧電材料からなる振動子３の代わりに圧電材料からなる振動子１０３を用いる構成とした（図７乃至図１１に示す他の一例）。実施例４は、実施例２において非圧電材料からなる振動子の代わりに圧電材料からなる振動子を用いる構成とした（図示しない構成）。比較例１では８つのアーム部のうち検出用電極２９が形成されない４つのアーム部（第５乃至第８のアーム部１５，１７，１９，２１）のみに駆動用電極２７を配置する構成とした。比較例２では比較例２において非圧電材料からなる振動子の代わりに圧電材料からなる振動子を用いる構成とした。その他の構成については、実施例１乃至実施例４並びに比較例１及び比較例２において共通する構成を採用した。

駆動電極に印加したときの振動子のＺ軸方向の振動幅は、実施例１では１５．９ｎｍ、実施例２では１０．７ｎｍ、実施例３では１５．８ｎｍ、実施例４では１１．７ｎｍ、比較例１では５．３７ｎｍ、比較例２では４．４９ｎｍとなった。実施例１及び実施例３は比較例１及び比較例２に対して約３倍大きい振動幅を示した。また実施例２及び実施例４は、実施例１及び実施例３には及ばないものの、比較例１及び比較例２に対して約２倍大きい振動幅を示した。このように、実施例１乃至実施例４では、振動子の中心部が固定されないため、中心部を含めた振動子全体をＺ軸方向に大きな振動幅で振動させることができる。そのため、Ｘ軸方向及び／またはＹ軸方向への振動子の移動量（加速度）が小さい場合でも、大きな角速度を得ることができ、センサの検出感度を高めることができる。また、実施例１及び実施例３では、振動子３の第１乃至第４のアーム部だけでなく第５乃至第８のアーム部もＺ軸方向に振動するため、より大きな角速度を得ることができ、さらにセンサの検出感度を高めることができる。

本発明の実施の形態の一例である二軸型角速度センサの平面図である。 図１を正面からＹ軸方向に視た正面図である。 図１のIII−III線断面図である。 図１の正面右側からＸ−Ｙ2 軸方向に視た図である。 図１のＶ−Ｖ線断面図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の実施の形態の二軸型角速度センサの振動子がＺ軸方向に振動する状態を説明する斜視図である。 本発明の実施の形態の他の一例である二軸型角速度センサの平面図である。 図７を正面からＹ′軸方向に視た正面図である。 図７のIX−IX線断面図である。 図７の正面右側からＸ−Ｙ2′軸方向に視た図である。 図７のXI−XI線断面図である。

１ 二軸型角速度センサ
３ 振動子
５ 中心部
７ 第１のアーム部
９ 第２のアーム部
１１ 第３のアーム部
１３ 第４のアーム部
１５ 第５のアーム部
１５ａ 第５のアーム部の端部
１７ 第６のアーム部
１７ａ 第６のアーム部の端部
１９ 第７のアーム部
１９ａ 第７のアーム部の端部
２１ 第８のアーム部
２１ａ 第８のアーム部の端部
２３ 駆動用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）
２５ 検出用電気−機械エネルギ変換素子（圧電薄膜層）
２７ 駆動用電極
２９ 検出用電極
３１ 錘部

Claims (5)

1. 中心部を中心にしてＸ軸に沿って相反する方向に延びる第１及び第２のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って相反する方向に延びる第３及び第４のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸とＹ軸との間を延びる第１のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ前記中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定状態におかれた第５及び第６のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸とＹ軸との間を延び、前記第１のＸ−Ｙ軸と直交する第２のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ前記中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定状態におかれた第７及び第８のアーム部とを備えた非圧電材料からなる振動子と、
   前記振動子の前記第１乃至第８のアーム部にそれぞれ設けられた複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子と、
   前記振動子の前記第１乃至第４のアーム部にそれぞれ設けられた複数の検出用電気−機械エネルギ変換素子と、
   前記第１乃至第８のアーム部に設けられた前記複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子に対して設けられ、前記振動子の前記中心部を前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸と直交するＺ軸方向に変位させるように前記振動子を励振する際に電圧が印加される複数の駆動用電極と、
   前記第１乃至第４のアーム部に設けられた前記複数の検出用電気−機械エネルギ変換素子に対してそれぞれ設けられて、前記振動子が励振されているときに、前記第１乃至第４のアーム部の前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧を検出する複数の検出用電極とを備えていることを特徴とする二軸型角速度センサ。
2. 中心部を中心にしてＸ軸に沿って相反する方向に延びる第１及び第２のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って相反する方向に延びる第３及び第４のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸とＹ軸との間を延びる第１のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ前記中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定状態におかれた第５及び第６のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸とＹ軸との間を延び、前記第１のＸ−Ｙ軸と直交する第２のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ前記中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定状態におかれた第７及び第８のアーム部とを備えた圧電材料からなる振動子と、
   前記第１乃至第８のアーム部に対して設けられ、前記振動子の前記中心部を前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸と直交するＺ軸方向に変位させるように前記振動子を励振する際に電圧が印加される複数の駆動用電極と、
   前記第１乃至第４のアーム部に設けられ、前記振動子が励振されているときに、前記第１乃至第４のアーム部の前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧を検出する複数の検出用電極とを備えていることを特徴とする二軸型角速度センサ。
3. 中心部を中心にしてＸ軸に沿って相反する方向に延びる第１及び第２のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って相反する方向に延びる第３及び第４のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸とＹ軸との間を延びる第１のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ前記中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定状態におかれた第５及び第６のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸とＹ軸との間を延び、前記第１のＸ−Ｙ軸と直交する第２のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ前記中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定状態におかれた第７及び第８のアーム部とを備えた非圧電材料からなる振動子と、
   前記振動子の前記第１乃至第４のアーム部にそれぞれ設けられた複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子と、
   前記振動子の前記第１乃至第４のアーム部にそれぞれ設けられた複数の検出用電気−機械エネルギ変換素子と、
   前記第１乃至第４のアーム部に設けられた前記複数の駆動用電気−機械エネルギ変換素子に対して設けられ、前記振動子の前記中心部を前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸と直交するＺ軸方向に変位させるように前記振動子を励振する際に電圧が印加される複数の駆動用電極と、
   前記第１乃至第４のアーム部に設けられた前記複数の検出用電気−機械エネルギ変換素子に対してそれぞれ設けられて、前記振動子が励振されているときに、前記第１乃至第４のアーム部の前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧を検出する複数の検出用電極とを備えていることを特徴とする二軸型角速度センサ。
4. 中心部を中心にしてＸ軸に沿って相反する方向に延びる第１及び第２のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸と直交するＹ軸に沿って相反する方向に延びる第３及び第４のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸とＹ軸との間を延びる第１のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ前記中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定状態におかれた第５及び第６のアーム部と、前記中心部を中心にして前記Ｘ軸とＹ軸との間を延び、前記第１のＸ−Ｙ軸と直交する第２のＸ−Ｙ軸に沿って相反する方向に延び且つ前記中心部とは反対側に位置する端部がそれぞれ固定状態におかれた第７及び第８のアーム部とを備えた圧電材料からなる振動子と、
   前記第１乃至第４のアーム部に対して設けられ、前記振動子の前記中心部を前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸と直交するＺ軸方向に変位させるように前記振動子を励振する際に電圧が印加される複数の駆動用電極と、
   前記第１乃至第４のアーム部に設けられ、前記振動子が励振されているときに、前記第１乃至第４のアーム部の前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸回りの角速度によって生じた変位に相当する電圧を検出する複数の検出用電極とを備えていることを特徴とする二軸型角速度センサ。
5. 前記第１乃至第４のアーム部の前記中心部とは反対側に位置する端部には、それぞれ錘部が一体に設けられている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二軸型角速度センサ。

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