JP5332262B2 - 角速度センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、物体の角速度を検出する角速度センサ素子に関する。

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た。それに伴い、角速度センサ素子の更なる小型化、及び低背化（薄型化）が要請されている。

更なる小型化及び低背化の要求に応えるべく、シリコンあるいは水晶等からなる薄板（ウェハ）をエッチングなどで加工することにより薄型の角速度センサ素子を形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１には、振動子の中心に位置する基部と、当該基部に接続された、放射状に延びる駆動振動系及び検出振動系を備えた振動子が開示されている。この振動子では、駆動振動系及び検出振動系は、基部を介して接続されており、この基部は外部に固定されて使用される。
特許第３９９９３７７号

上述した特許文献１に記載の技術では、駆動振動系及び検出振動系は離れて配置されており、別々の振動系を構成している。つまり、検出振動系の振動はコリオリ力の方向とは異なっており、コリオリ力を受けて基部が微小ながら変位することにより、コリオリ力の作用方向とは異なる方向の検出振動を励起しているものと考えられる。したがって、基部の支持状態はその変位に影響を与え、角速度センサ素子の振動特性の不安定要素となり得る。つまり、変位運動の抵抗になる、振動子の漏れ振動の経路になる、逆に外部の振動を振動子に伝える経路となる、支持手段そのものが共振周波数をもつなどの要因がある。したがって、駆動振動系及び検出振動系のバランスを機密に調整し、精度良く組み立てなければならないといった問題があった。

そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動振動系が受けたコリオリ力を直接的に検出振動に反映させるようにすることで、振動特性を安定させた角速度センサ素子を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の角速度センサ素子は、少なくとも１つの駆動腕と、駆動腕の両端を支持する支持部材と、前記支持部材と接続し、駆動腕及び支持部材を含む振動系の振動を検出する振動検出手段と、を有する単位構造を少なくとも１つ備え、支持部材は枠状に形成され、支持部材の枠内に駆動腕が配置されている。

このような構成では、両持ち梁状の駆動腕が振動した状態で、所定の軸を中心とする回転角速度が加わると、駆動腕の振動方向と回転軸の方向の双方に垂直な方向にコリオリ力が働く。駆動腕がコリオリ力を受けることにより、駆動腕および支持部を含む振動系が振動ないし遥動する。そして、振動検出手段により、この振動が検出され、これにより最終的に角速度が検出される。上記の動作から明らかなように、本発明では、駆動振動系は駆動腕により構成され、検出振動系は駆動腕及び支持部材を含む振動系により構成されており、振動に必要なマス（重量）を共有している。また、コリオリ力は直接的に検出振動系の振動を励起する、すなわち、コリオリ力の作用方向と同一の方向に検出振動系が振動することから、検出振動系の振動を励起するまでの複雑な振動の伝達が不要となる。

例えば、支持部材は枠状に形成され、支持部材の枠内に駆動腕が配置されている。また、例えば、この枠内に互いに略平行に延在した複数の駆動腕を有する。このように、支持部材が枠状に形成されていることにより、安定した検出用の振動系が構成される。そして、この枠内において略平行に延在した複数の駆動腕が設けられることにより、駆動腕及び枠を含む振動系は、枠内の複数の駆動腕が受けたコリオリ力の合計分受けることとなり、大きなコリオリ力が受けられる。したがって、加工限界や破断強度から一つの駆動腕の形状が制限されても、これらを多数配置することにより、コリオリ力の合計を大きくする事が出来る。このとき、駆動腕が略平行に配置されることにより、それらを密接して配置することが可能となり、余分な空間の発生が回避される。

例えば、振動検出手段は、支持部材において駆動腕が固定されている部位に設けられた検出腕と、検出腕の変形を検出する検出素子と、を備える。あるいは、振動検出手段は、支持部材において駆動腕が固定されている部位と異なる部位に設けられた検出腕と、検出腕の変形を検出する検出素子と、を備える。あるいは、振動検出手段は、支持部材の変形を検出する検出素子を備える。上記のいずれの態様によっても、振動系の振動の変位が検出され、これにより最終的に角速度が検出可能となる。

好ましくは、複数の駆動腕を横断する方向に、複数の駆動腕を一体化する連結部材をさらに有する。これにより、複数の駆動腕の駆動振動の位相及び振幅を揃えることができ、複数の駆動腕が受けたコリオリ力が合成されて、個々の駆動腕に作用するコリオリ力よりも大きな力が振動系の全体に作用することとなる。

連結部材に錘が設けられている。この錘の重量調整により、駆動腕の駆動振動の共振周波数、及び駆動腕及び支持部材を含む振動系の双方の共振周波数が調整される。

単位構造を複数備え、複数の単位構造が回転対称に配置されている。これにより、一方の単位構造が受けるコリオリ力は、一方の単位構造とは回転対称に配置された他方の単位構造が受けるコリオリ力の逆方向となることから、複数の単位構造に作用するコリオリ力を合成すると零となる。このように、角速度センサ素子全体に作用する力が零となることから、角速度センサ素子全体に作用する不要な振動成分が排除される。

支持部材に、振動系の重量調整用の孔が形成されている。この孔の数および大きさにより、振動系の重量を調整可能となることから、駆動振動系の共振周波数を固定しつつ、振動系の共振周波数の調整が可能となる。

本発明によれば、駆動振動系が受けたコリオリ力を直接的に検出振動に反映させるようにすることで、振動特性を安定させた角速度センサ素子を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る角速度センサ素子１の振動系ユニット１０の構成を示す平面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る角速度センサ素子１は、少なくとも１つの振動系ユニット（単位構造）１０を備える。具体的に、振動系ユニット１０は、支持枠（支持部材）２と、支持枠２内に張られた少なくとも１つの駆動腕３とを有する。本実施形態では、複数の駆動腕３が略平行に支持枠２内に張られている。このように、支持枠２は、両持ち梁となるように複数の駆動腕３の両端を支持している。各駆動腕３は、その延在方向と直交する方向Ｖに駆動振動可能に構成されている。

支持枠２において駆動腕３が固定されている部位（側部）にそれぞれ検出腕４が連結されており、これにより、支持枠２は、２つの検出腕４に狭持されている。各検出腕４は駆動腕３の延在方向と直交する方向に張られており、各検出腕４の両端は支持部材（検出腕支持部材）５に固定されている。このように、支持枠２が遥動可能な状態で検出腕４により支持されており、これにより、支持枠２及び駆動腕３からなる１つの振動系１１が構成される。

支持部材５は、例えば支持枠２の３辺を囲むコの字型をしており、この支持部材５の底部は、接続部６を介して固定部７に接続されている。振動系ユニット１０は、支持枠２、駆動腕３、検出腕４、支持部材５及び接続部６により構成される。

上記の角速度センサ素子１の振動系ユニット１０は、一体的に形成されており、たとえば、シリコンからなる。この角速度センサ素子１は、例えば、シリコン基板のうち振動系ユニット１０として残す部位以外の部位を物理的又は化学的にエッチング等して除去することにより、一括形成することが可能である。このように形成された角速度センサ素子１は、低背化の要求に応えたものとなる。

振動系ユニット１０のうち、各駆動腕３および各検出腕４の表面には、それぞれ一対の圧電素子が配置されている。図２は、図１のＡ部における駆動腕３の拡大図である。図３は、図１のＢ部における検出腕４の拡大図であり、（Ａ）が正面図、（Ｂ）が断面図である。

図２に示すように、各駆動腕３の表面には、駆動腕３の延在方向と平行な方向を長手方向とする２つの圧電素子３０ａ，３０ｂが形成されており、この２つの圧電素子３０ａ，３０ｂは駆動腕３の幅方向に並んで形成されている。各圧電素子３０ａ，３０ｂへ印加する電圧により、各圧電素子３０ａ，３０ｂはその延在方向に伸縮可能となっている。例えば、圧電素子３０ａを伸ばし、圧電素子３０ｂを縮ませることにより、駆動腕３は図中矢印Ｄ１方向に屈曲することとなる。

図３に示すように、各検出腕４の表面には、検出腕４の延在方向と平行な方向を長手方向とする４つの圧電素子４０ａ〜４０ｄが形成されている。このうち、１組の圧電素子４０ａ,４０ｂは、検出腕４の所定の位置において幅方向に並んで形成されている。また、もう１組の圧電素子４０ｃ,４０ｄは、検出腕４上であって圧電素子４０ａ,４０ｂとは異なる位置において、検出腕４の幅方向に並んで形成されている。２組の圧電素子は、検出腕４が変形したときにその変形を検出するためのものであり、検出腕２４が最も大きく歪む箇所に配置されていることが好ましい。圧電素子４０ａ〜４０ｄからはその伸縮の程度に応じた検出信号が出力される。

駆動腕３及び検出腕４に形成される各圧電素子３０ａ，３０ｂ，４０ａ〜４０ｄは、下部電極、圧電体膜、上部電極の積層体からなる。下部電極及び上部電極は、例えばＰｔ（１００）配向膜からなる。圧電体は、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。

次に、上記の角速度センサ素子２の動作について、図４及び図５を参照して説明する。図５は、図４のＢ部の拡大図であり、（Ａ）が正面図、（Ｂ）が断面図である。

図４に示すように、各駆動腕３が矢印Ｖで示す方向に駆動振動を行っている状態で、回転軸Ｒ１を中心とする回転角速度が加わると、駆動振動の方向及び回転軸Ｒ１に直交する方向のコリオリ力ｆ１が各駆動腕３に作用する。各駆動腕３に作用するコリオリ力ｆ１が合成されて、全体として支持枠２及び駆動腕３からなる振動系１１にコリオリ力Ｆ１が作用する。このコリオリ力Ｆ１を振動系１１が受けると、振動系１１はコリオリ力Ｆ１と同じ方向に振動することとなり、この振動系１１の振動に伴い検出腕４が変形する。

このとき、図５に示すように、対角に位置する圧電素子４０ａ,４０ｄが伸びた状態となり、他方の圧電素子４０ｂ,４０ｃが縮んだ状態となる。圧電素子４０ａ〜４０ｄからはその変形に応じた信号が出力されることから、各信号に所定の演算処理を施すことにより、振動系１１の振動の変位及び振幅が検出され、最終的に回転角速度が検出される。

上記の第１実施形態に係る角速度センサ素子１の効果について説明する。
本実施形態では、駆動振動系は駆動腕３により構成され、検出振動系は駆動腕３及び支持枠２からなる振動系１１により構成されており、振動に必要なマス（重量）を共有している。そして、コリオリ力Ｆ１を受けた振動系１１は、コリオリ力Ｆ１の作用する方向に直接的に振動することから、駆動振動系と検出振動系との間での複雑な振動の伝達が不要となる。この結果、駆動振動系と検出振動系との間に振動を伝達するための基部が不要となることから、この基部の支持条件に影響されない安定した振動特性を発揮することができる。

また、本実施形態では、各駆動腕３に作用するコリオリ力ｆ１が合成されて、支持枠２及び駆動腕３からなる振動系１１に大きなコリオリ力Ｆ１が作用する。したがって、駆動腕３の本数を増やすことにより、振動系１１に作用するコリオリ力Ｆ１を増大することができる。また、各駆動腕３を略平行に配置することにより、全ての駆動腕３を密接して配置することが可能となり、余分な空間の発生が回避される。この結果、小型化で感度の高い角速度センサ素子１を実現できる。また、材料の利用効率を高めることもできる。

さらに、本実施形態では、駆動腕３は両持ち梁状からなることから、片持ち梁状の駆動腕に比べて振幅が制限される。この結果、衝撃を受けても大きく振れることはないため、破断しにくいという利点がある。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る角速度センサ素子１は、第１実施形態とは振動系１１の振動を検出するための構造が異なる以外は、第１実施形態と同様である。図６は、第２実施形態に係る角速度センサ素子１ａの構成を示す平面図である。

図６に示すように、第２実施形態では、矩形の支持枠２の４辺のうち、駆動腕３が固定されていない底辺と、固定部７とが検出腕４ａを介して連結されている。本実施形態では、支持枠２には２本の検出腕４ａ,４ａが連結されている。各検出腕４ａの表面には、図３に示した検出腕４と同様に、４つの圧電素子４０ａ〜４０ｄが形成されている。

この角速度センサ素子１ａの動作について、図７を参照して説明する。
図７に示すように、各駆動腕３が矢印Ｖで示す方向に駆動振動を行っている状態で、回転軸Ｒ１を中心とする回転角速度が加わると、支持枠２及び駆動腕３からなる振動系１１にコリオリ力Ｆ１が作用する。このコリオリ力Ｆ１を振動系１１が受けると、振動系１１はコリオリ力Ｆ１と同じ方向に振動することとなり、この振動系１１を支える検出腕４ａが変形する。この検出腕４ａの変形は、図５に示す検出腕４の変形と同様な状態となる。

したがって、図５に示したのと同様の原理で、圧電素子４０ａ〜４０ｄから出力される各信号に所定の演算処理を施すことにより、振動系１１の振動の変位及び振幅が検出され、最終的に回転角速度が検出される。

第１実施形態では振動系１１の振動が両持ち梁の振動に類似したものとなるのに対し、第２実施形態では振動系１１の振動が片持ち梁の振動に類似したものとなる。このような第２実施形態の構成によっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る角速度センサ素子１ｂは、第１実施形態とは振動系１１の振動を検出するための構造が異なる以外は、第１実施形態と同様である。図８は、第３実施形態に係る角速度センサ素子１ｂの構成を示す平面図である。

図８に示すように、第３実施形態では、振動系ユニット１０は、駆動腕３が両持ち梁となるように、駆動腕３の両端が検出腕４ｂにより支持されており、検出腕４ｂは非振動系である接続部６ａを介して固定部７に連結されている。このように、第３実施形態では、検出腕４ｂは、第２実施形態の支持枠（支持部材）２を兼ねている。図示はしないが、接続部６ａ上に立脚する２本の検出腕４ｂ上には、図３で示したのと同様に４つの圧電素子４０ａ〜４０ｄが形成されている。

この角速度センサ素子１ｂの動作について、図９を参照して説明する。
図９に示すように、各駆動腕３が矢印Ｖで示す方向に駆動振動を行っている状態で、回転軸Ｒ１を中心とする回転角速度が加わると、駆動腕３及び検出腕４ｂからなる振動系１１にコリオリ力Ｆ１が作用する。このコリオリ力Ｆ１を振動系１１が受けると、振動系１１はコリオリ力Ｆ１と同じ方向に振動することとなるが、この振動に起因して、振動系１１を画成する検出腕４ｂが変形する。この検出腕４ｂの変形は、図５に示す検出腕４の変形と同様な状態となる。

したがって、図５に示したのと同様の原理で、圧電素子４０ａ〜４０ｄから出力される各信号に所定の演算処理を施すことにより、振動系１１の振動の変位及び振幅が検出され、最終的に回転角速度が検出される。

＜第４実施形態＞
図１０は、第４実施形態に係る角速度センサ素子１ｃの構成を示す平面図である。
図１０に示すように、第４実施形態では、複数の駆動腕３を横断する方向に、複数の駆動腕３を連結して一体化する連結部材８が設けられている以外は、第１実施形態と同様の構成を備える。

これにより、複数の駆動腕３の駆動振動の位相及び振幅を揃えることができ、最大のコリオリ力を受けるタイミングが合うので、複数の駆動腕３が受けたコリオリ力が効率よく合成されて、個々の駆動腕に作用するコリオリ力よりも大きな力が振動系１１の全体に作用することとなる。

換言すれば、本実施形態では、個々の駆動振動系の集合体ではなく、複数の駆動腕３を含む１つの駆動振動系が構成される。また、支持枠２、駆動腕３及び連結部材８からなる振動系１１により、検出振動系が構成される。このため、個々の駆動腕３の駆動制御にずれがあった場合においても、安定した振動特性を発揮することができる。

＜第５実施形態＞
図１１は、第５実施形態に係る角速度センサ素子１ｄの構成を示す平面図である。
図１１に示すように、第５実施形態では、複数の駆動腕３を横断する方向に、複数の駆動腕３を連結して一体化する連結部材８に錘８ａが設けられている以外は、第４実施形態と同様の構成を備える。

図１１に示すように、連結部材８には、２つの駆動腕３の間の領域において、連結部材８の延在方向と直交する方向に突起した錘８ａが設けられている。なお、図１１では、錘８ａは連結部材８と一体形成された例を示しているが、錘８ａは連結部材８上に形成された別の部材であってもよい。

本実施形態では、複数の駆動腕３、連結部材８及び錘８ａにより１つの駆動振動系が構成される。また、支持枠２、駆動腕３、連結部材８及び錘８ａにより、検出振動系となる振動系１１が構成される。このように、錘８ａは、駆動振動系及び検出振動系双方の重量に関係する。したがって、この錘８ａの重量調整により、駆動振動系及び検出振動系の双方の共振周波数を調整することができる。

＜第６実施形態＞
図１２は、第６実施形態に係る角速度センサ素子１ｅの構成を示す平面図である。
図１２に示すように、本実施形態に係る角速度センサ素子１ｅは、固定部７を中心として回転対称に設けられた２つの振動系ユニット１０ａ，１０ｂを備える。各振動系ユニット１０ａ，１０ｂの構成として、第４実施形態に係る振動系ユニットを例示している。

具体的には、２つの振動系ユニット１０ａ，１０ｂは、固定部７を通過する仮想線に対して線対称に配置されており、かつ振動系ユニット１０ａ，１０ｂは、矢印Ｖａ，Ｖｂで示すように互いの駆動振動が逆方向となるように駆動制御される。

本実施形態に係る角速度センサ素子１ｅの動作について説明する。
各振動系ユニット１０ａ，１０ｂがそれぞれ矢印Ｖａ，Ｖｂに示す方向に駆動振動をしている状態において、回転軸Ｒ１を中心とする回転角速度が加わると、各振動系ユニット１０ａ，１０ｂの振動系１１は、それぞれ矢印Ｆ１ａ，Ｆ１ｂで示す方向のコリオリ力を受ける。このコリオリ力に基づく各振動系ユニット１０ａ,１０ｂの振動系１１の振動が、上述した原理で検出される。

上記の動作において、本実施形態では、固定部７を中心として対向配置する２つの振動系ユニット１０ａ，１０ｂ間において駆動振動が逆となるように配置及び制御されることから、対向配置した２つの振動系ユニット１０ａ，１０ｂ間で駆動振動が打ち消され、この結果、角速度センサ素子１ｅ全体に作用する振動成分はなくなる。

＜第７実施形態＞
図１３は、第７実施形態に係る角速度センサ素子１ｆの構成を示す平面図である。
図１３に示すように、本実施形態に係る角速度センサ素子１ｆは、固定部７を中心として回転対称に設けられた４つの振動系ユニット１０ａ〜１０ｄを備える。各振動系ユニットの構成として、第４実施形態で説明した振動系ユニットを例示している。

具体的には、４つの振動系ユニット１０ａ〜１０ｄは、固定部７を原点とする仮想座標軸に沿って配置されている。このうち、固定部７を中心として対向配置された振動系ユニット１０ａ，１０ｂは、矢印Ｖａ，Ｖｂで示す互いの駆動振動が逆方向となるように駆動制御される。また、振動系ユニット１０ｃ，１０ｄは振動系ユニット１０ａ，１０ｂとは直交する方向に駆動振動するように配置されており、かつ、振動系ユニット１０ｃ，１０ｄは互いの駆動振動が逆方向となるように制御される。

本実施形態に係る角速度センサ素子１ｅの動作について説明する。
各振動系ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄがそれぞれ矢印Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄに示す方向に駆動振動をしている状態において、回転軸Ｒ１を中心とする回転角速度が加わると、各振動系ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの振動系１１は、それぞれ矢印Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃ，Ｆ１ｄで示す方向のコリオリ力を受ける。このコリオリ力に基づく各振動系ユニット１０ａ〜１０ｄの振動系１１の振動が、上述した原理で検出される。

上記の動作において、本実施形態では、固定部７を中心して対向配置する２つの振動系ユニット間において駆動振動が逆となるように配置及び制御されることから、対向配置した２つの振動系ユニット間で駆動振動が打ち消され、この結果、角速度センサ素子１ｆ全体に作用する振動成分はなくなる。同様に、全ての振動系ユニット１０ａ〜１０ｄに作用するコリオリ力も角速度センサ素子全体では打ち消される。

＜第８実施形態＞
図１４は、第８実施形態に係る角速度センサ素子１ｇの構成を示す平面図である。
図１４に示すように、本実施形態に係る角速度センサ素子１ｇは、接続部６ａを中心として回転対称に設けられた４つの振動系ユニット１０ａ〜１０ｄを備える。

さらに、本実施形態では、外形が矩形である各振動系ユニット１０ａ〜１０ｄは、その２辺が他の振動系ユニットに対向するように、振動系ユニット同士が隣接して配置されている。４つの振動系ユニット１０ａ〜１０ｄは、その回転中心に配置された接続部６ａに連結されている。換言すれば、振動系ユニット１０ａ〜１０ｄは、接続部６ａを原点とした仮想座標軸を設定した場合において、第１象限〜第４象限に相当する領域に配置されている。４つの振動系ユニット１０ａ〜１０ｄを連結する接続部６ａは、４本のサスペンションアーム６ｂを介して固定部７に固定されている。なお、第８実施形態では、周辺の固定部７からのサスペンション支持を例示しているが、この中央の接続部６ａを固定部としてもよい。

上記の４つの振動系ユニット１０ａ〜１０ｄを備える角速度センサ素子１ｇの動作については、第７実施形態と同様であるが、本実施形態では、角速度センサ素子全体の占有面積を第７実施形態に比べて減少できる。

＜第９実施形態＞
第９実施形態では、２つの回転軸の角速度を検知する構成および方法について説明する。図１５は、第９実施形態に係る角速度センサ素子１ｈの構成を示す平面図である。

図１５に示すように、第９実施形態に係る角速度センサ素子１ｈの基本構造は、第１実施形態に係る角速度センサ素子１と同様である。したがって、図１５の紙面に垂直な回転軸Ｒ１を中心とした角速度の検出原理については第１実施形態で説明した通りである。本実施形態では、回転軸Ｒ１に垂直であって、駆動腕３の延在方向に平行な回転軸Ｒ２を中心とした角速度の検出方法について説明する。

図１６は、図１５のＣ部の拡大図である。図１６に示すように、検出腕４には、第１実施形態と同様の配置で圧電素子４０ａ〜４０ｄが形成されている。

上記の回転軸Ｒ２回りの回転角速度の検出原理について、図１５及び図１７を参照して説明する。
図１５に示すように、各駆動腕３が矢印Ｖで示す方向に駆動振動を行っている状態で、回転軸Ｒ２を中心とする回転角速度が加わると、振動系ユニット１０の振動系１１は、駆動振動の方向及び回転軸Ｒ２の双方に垂直な矢印Ｆ２で示す方向のコリオリ力を受ける。このコリオリ力に直交する方向に検出腕４が張られていることから、振動系１１は矢印Ｆ２に示す方向（振動子面に垂直な方向）に振動可能に支持されている。したがって、矢印Ｆ２で示す方向のコリオリ力は、振動系１１の振動を励起し、振動系１１の振動に伴い検出腕４が変形する。

このとき、図１７に示すように、振動系１１と検出腕４との連結部に近い側の２つの圧電素子４０ａ，４０ｂが伸びた状態となり、他方の圧電素子４０ｃ,４０ｄが縮んだ状態となる。圧電素子４０ａ〜４０ｄからはその変形に応じた信号が出力されることから、各信号に所定の演算処理を施すことにより、振動系１１の振動の変位及び振幅が検出され、最終的に回転角速度が検出される。

図１８に、２軸の回転を検出可能な回路を示す
図１８に示すように、回転軸Ｒ１回りの回転を検出する検出回路として、圧電素子４０ａ,４０ｂの出力の差を演算する減算器１０１と、圧電素子４０ｃ,４０ｄの出力の差を演算する減算器１０２と、減算器１０１及び減算器１０２からの出力の差を演算する減算器１０３が配置される。また、回転軸Ｒ２回りの回転を検出する検出回路として、圧電素子４０ａ,４０ｂの出力の和を演算する加算器１０４と、圧電素子４０ｃ,４０ｄの出力の和を演算する加算器１０５と、加算器１０４及び加算器１０５からの出力の差を演算する減算器１０６が配置される。

上記構成では、回転軸Ｒ１を中心とした回転による変位を検出する場合において、減算器１０１，１０２により検出腕４の幅方向に隣接する２つの圧電素子４０ａ,４０ｂ間の出力電圧の差Ｖ_a-b、及び圧電素子４０ｃ,４０ｄ間の出力電圧の差Ｖ_c-dが演算され、さらに減算器１０３により出力電圧の差同士の差Ｖ_a-b−Ｖ_c-dが演算される。これにより、図５に示すような紙面左右方向の検出腕４の変位に応じた出力電圧Ｖ_out1が得られることから、振動系１１の振動の変位及び振幅が検出され、最終的に回転軸Ｒ１を中心とした回転角速度を検出できる。

また、回転軸Ｒ２を中心とした回転による変位を検出する場合には、加算器１０４,１０５により検出腕４の幅方向に隣接する２つの圧電素子４０ａ,４０ｂの出力電圧の和Ｖ_a+b、及び圧電素子４０ｃ,４０ｄの出力電圧の和Ｖ_c+dが演算され、さらに減算器１０６により出力電圧の和同士の差Ｖ_a+b−Ｖ_c+dが演算される。これにより、図１７に示すような紙面垂直方向の検出腕４の変位に応じた出力電圧Ｖ_out2が得られることから、振動系１１の振動の変位及び振幅が検出され、最終的に回転軸Ｒ２を中心とした回転角速度を検出できる。

以上のように、第９実施形態に係る角速度センサ素子１ｈでは、第１実施形態と同じ振動系ユニット１０を用いて、２つの回転軸Ｒ１,Ｒ２回りの回転角速度を検出することができる。

＜第１０実施形態＞
第１０実施形態では、３つの回転軸の角速度を検知する構成および方法について説明する。図１９は、第１０実施形態に係る角速度センサ素子１ｊの構成を示す平面図である。

図１９に示すように、第１０実施形態に係る角速度センサ素子１ｊの基本構造は、図１３に示した第７実施形態に係る角速度センサ素子１ｆと同様である。したがって、図１９の紙面に垂直な回転軸Ｒ１を中心とした角速度の検出原理については第７実施形態と同様である。本実施形態では、回転軸Ｒ１に垂直であって駆動腕３の延在方向に平行な回転軸Ｒ２回りの回転と、回転軸Ｒ１及び回転軸Ｒ２に垂直な回転軸Ｒ３回りの回転の検出動作について説明する。

各振動系ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄがそれぞれ矢印Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄに示す方向に駆動振動をしている状態において、回転軸Ｒ２を中心とする回転角速度が加わった場合を想定する。この場合には、振動系ユニット１０ａ〜１０ｄのうち、回転軸Ｒ２に垂直な方向に駆動振動をしている振動系ユニット１０ａ，１０ｂの振動系１１は、駆動振動の方向及び回転軸Ｒ２の双方に垂直な矢印Ｆ２ａ，Ｆ２ｂで示す方向（紙面に垂直方向）のコリオリ力を受ける。これにより、振動系ユニット１０ａ,１０ｂの振動系１１の紙面に垂直方向の振動が励起され、この振動系１１の振動の変位及び振幅を検出することにより、回転軸Ｒ２回りの角速度が検出される。

同様に、各振動系ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄがそれぞれ矢印Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄに示す方向に駆動振動をしている状態において、回転軸Ｒ３を中心とする回転角速度が加わった場合を想定する。この場合には、振動系ユニット１０ａ〜１０ｄのうち、回転軸Ｒ３に垂直な方向に駆動振動をしている振動系ユニット１０ｃ，１０ｄの振動系１１は、駆動振動の方向及び回転軸Ｒ３の双方に垂直な矢印Ｆ３ｃ，Ｆ３ｄで示す方向（紙面に垂直方向）のコリオリ力を受ける。これにより、振動系ユニット１０ｃ,１０ｄの振動系１１の紙面に垂直方向の振動が励起され、この振動系１１の振動の変位及び振幅を検出することにより、回転軸Ｒ３回りの角速度が検出される。

以上のように、固定部７を中心として回転対称に配置された４つの振動系ユニット１０ａ〜１０ｄを備える角速度センサ素子１ｊでは、３つの回転軸Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３回りの回転角速度を検出することができる。

＜第１１実施形態＞
図２０は、第１１実施形態に係る角速度センサ素子１ｋの構成を示す平面図である。図２０に示す角速度センサ素子１ｋは、３つの回転軸Ｒ１〜Ｒ３回りの回転の検知に用いる点を除いて、図１４に示した角速度センサ素子１ｇと基本的に同じ構造を備える。各振動系ユニット１０ａ〜１０ｄによる、３軸回転検出原理については第１０実施形態で説明した通りである。

図２０に示す角速度センサ素子１ｋによっても、第１０実施形態と同様に３つの回転軸Ｒ１〜Ｒ３回りの回転角速度を検出することができ、かつ、第１０実施形態に比べて角速度センサ素子の占有面積を減少できる。

＜第１２実施形態＞
図２１は、第１２実施形態に係る角速度センサ素子１ｍの構成を示す平面図である。この角速度センサ素子１ｍは、支持枠２ａの形状が第１実施形態と異なる点を除いて、第１実施形態に係る角速度センサ素子１と同様の構成を備える。

図２１に示すように、角速度センサ素子１ｍでは、支持枠２ａは、矩形ではなく菱形又は六角形に近い形状をもつ。このような角速度センサ素子１ｍによっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

＜第１３実施形態＞
図２２は、第１３実施形態に係る角速度センサ素子１ｎの構成を示す平面図である。角速度センサ素子１ｎは、その支持枠２に孔２０が形成されている以外は、第６実施形態と同様の構成を備える。

図２２に示すように、支持枠２には重量調整用の複数の孔２０が形成されている。この孔２０は、支持枠２を貫通していてもいなくてもよい。孔２０は、支持枠２の合成に影響を与えない範囲で、その数および寸法が設定される。

この角速度センサ素子１ｎでは、複数の駆動腕３、連結部材８により１つの駆動振動系が構成される。また、支持枠２、駆動腕３、連結部材８により、検出振動系となる振動系１１が構成される。したがって、駆動共振周波数を下げようとして、連結部材８または錘８ａの付加により駆動振動系の質量を増すと、駆動振動系とマス（重量）を共有する検出振動系の質量も増加することとなり、検出振動系の駆動周波数も下がることとなる。

本実施形態では、支持枠２に孔２０を設けることにより、駆動振動系の重量を維持しつつ、検出振動系の重量を減少できることから、駆動振動系の共振周波数を固定しつつ、検出振動系の共振周波数の調整が可能となる。これは、例えば、駆動振動系の共振周波数と検出振動系の共振周波数を近づけたい場合に有効である。

なお、上述したとおり、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、各実施形態の内容を適宜組み合わせてもよい。また、各部材の寸法や材料に限定はない。

本発明の角速度センサ素子は、角速度の検知が必要なあらゆる装置および機器に搭載することができ、例えば、ビデオカメラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置における動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに利用することができる。

第１実施形態に係る角速度センサ素子１の構成を示す平面図である。 図１のＡ部の拡大図である。 図１のＢ部の拡大図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 第１実施形態に係る角速度センサ素子１の動作を示す平面図である。 図４のＢ部の拡大図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 第２実施形態に係る角速度センサ素子１ａの構成を示す平面図である。 第２実施形態に係る角速度センサ素子１ａの動作を示す平面図である。 第３実施形態に係る角速度センサ素子１ｂの構成を示す平面図である。 第３実施形態に係る角速度センサ素子１ｂの動作を示す平面図である。 第４実施形態に係る角速度センサ素子１ｃの構成を示す平面図である。 第５実施形態に係る角速度センサ素子１ｄの構成を示す平面図である。 第６実施形態に係る角速度センサ素子１ｅの構成を示す平面図である。 第７実施形態に係る角速度センサ素子１ｆの構成を示す平面図である。 第８実施形態に係る角速度センサ素子１ｇの構成を示す平面図である。 第９実施形態に係る角速度センサ素子１ｈの構成を示す平面図である。 図１５のＣ部の拡大図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 検出腕４の変位を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 ２軸方向の回転角速度を検出するための検出回路の構成を示す図である。 第１０実施形態に係る角速度センサ素子１ｊの構成を示す平面図である。 第１１実施形態に係る角速度センサ素子１ｋの構成を示す平面図である。 第１２実施形態に係る角速度センサ素子１ｍの構成を示す平面図である。 第１３実施形態に係る角速度センサ素子１ｎの構成を示す平面図である。

符号の説明

１〜１ｍ…角速度センサ素子、２，２ａ…支持枠、３…駆動腕、４…検出腕、５…支持部材、６…接続部、７…固定部、８…連結部材、８ａ…錘、１０…振動系ユニット、１１…振動系、２０…孔、３０ａ，３０ｂ…圧電素子，３０ｂ、４０ａ〜４０ｄ…圧電素子、Ｒ１，Ｒ２…回転軸、Ｖ…駆動振動、Ｆ１,Ｆ２…コリオリ力、１０１,１０２,１０５,１０６…減算器、１０３,１０４…加算器。

Claims (9)

1. 少なくとも１つの駆動腕と、
   前記駆動腕の両端を固定する支持部材と、
   前記支持部材と接続し、前記駆動腕及び前記支持部材を含む振動系の振動を検出する振動検出手段と、を有する単位構造を少なくとも１つ備え、
   前記支持部材は枠状に形成され、前記支持部材の枠内に前記駆動腕が配置されている、
   角速度センサ素子。
2. 互いに略平行に延在した複数の前記駆動腕を有する、
   請求項１に記載に角速度センサ素子。
3. 前記振動検出手段は、
   前記支持部材において前記駆動腕が固定されている部位に設けられた検出腕と、
   前記検出腕の変形を検出する検出素子と、
   を備える請求項１又は２に記載の角速度センサ素子。
4. 前記振動検出手段は、
   前記支持部材において前記駆動腕が固定されている部位と異なる部位に設けられた検出腕と、
   前記検出腕の変形を検出する検出素子と、
   を備える請求項１又は２に記載の角速度センサ素子。
5. 前記振動検出手段は、前記支持部材の変形を検出する検出素子を備える、
   請求項１又は２に記載の角速度センサ素子。
6. 前記複数の駆動腕を横断する方向に、複数の駆動腕を一体化する連結部材をさらに有する、
   請求項１〜５のいずれかに記載の角速度センサ素子。
7. 前記連結部材に、錘が設けられている、
   請求項６記載の角速度センサ素子。
8. 前記単位構造を複数備え、
   複数の前記単位構造が回転対称に配置されている、
   請求項１〜７のいずれかに記載の角速度センサ素子。
9. 前記支持部材に、前記振動系の重量調整用の孔が形成されている、
   請求項１〜８のいずれかに記載の角速度センサ素子。
   

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