JP5516119B2 - 振動型ジャイロ素子、振動型ジャイロセンサーおよび振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動型ジャイロ素子、振動型ジャイロセンサーおよび振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法等に関する。

所定速度で動いている物体に角速度が加わると、動きの方向（速度方向）および角速度ベクトルの方向(角速度方向)の各々に直交する方向にコリオリ力が生じる。振動型ジャイロセンサーでは、このコリオリ力に対応して変動する電気信号に基づいて角速度を求める。すなわち、振動腕を励振して駆動振動を生じさせる。角速度が加わると、角速度に対応したコリオリ力によって、振動腕には、駆動振動の方向に直交する方向に検出振動が生じる。圧電材料を使用した振動型ジャイロセンサーでは、検出振動によって振動腕に生じる歪み（応力）によって電界が発生し、電荷が移動する。この電荷の移動によって生じる電気信号（つまり微小な電流信号）の変動量は、加わった角速度の大きさに比例する。よって、電気信号の変動量（例えば直流電圧の振幅の変動）を検出することによって、加わった角速度を検出することができる。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて、超小型の振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用の振動片）を実現する技術が注目されている。

圧電材料（水晶等）で構成された振動型ジャイロ素子は、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されている。

特許文献１に記載される振動型ジャイロ素子では、基部から、共通の（一体化された）振動腕が所定方向に延出している。振動腕の先端部は二叉に分岐されている。二叉に分岐されて形成される第１腕と第２腕の各先端部には駆動電極が形成されている。また、振動腕の基部に近い側には検出電極が形成されている。共通の振動腕の、二叉に分岐された先端部分は、駆動電極に印加される電圧によって励振され、これによって、振動腕を構成する水晶や石英の結晶面内において、駆動振動が生じる。振動腕に角速度が加わると、コリオリ力は結晶面に垂直に作用して、結晶面に垂直な方向に検出振動が生じる。

特許文献２に記載される振動型ジャイロ素子では、駆動腕と検出腕とが分離されている。駆動腕（第１腕）と検出腕（第２腕）は各々、同じ方向に延在している。駆動腕には、振動腕を構成する水晶や石英の結晶面内において、駆動振動が生じる。振動腕に角速度が加わると、コリオリ力は結晶面に垂直に作用して、結晶面に垂直な方向に検出振動が生じる。

特開平５−２５６７２３号公報（特許第３００７２１６号公報） 特開平９―１４９７３号公報

特許文献１および特許文献２に記載される技術では、共に、第１腕と第２腕が近接して配置され、各腕には、所定面内の駆動振動が励振される。検出精度を向上するためには、駆動振動の振幅を増大させるのが好ましいが、第１腕と第２腕とが近接して配置されていることから、駆動振動の振幅を大きくすることには限界がある。

また、特許文献１に記載される技術では、共通の振動腕上に、駆動電極と検出電極とが形成されていることから、配線パターンが複雑となる。また、微細化を促進した場合には、駆動電極と検出電極との間隔が小さくなり、各電極間の寄生容量が大きくなることから、静電結合による影響が大きくなる。また、微細化を促進すると、駆動電極と検出電極の電位が異なる場合には、意図しない不要な電界が生じ易くなり、これに伴う不要な振動成分が発生し易くなる。つまり、電気機械結合の影響を受けやすくなる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、振動型ジャイロ素子の検出精度を向上させることができる。

（１）本発明の振動型ジャイロ素子の一態様は、基部と、前記基部から、所定面内で第
１方向に延出する駆動腕と、前記基部から、前記所定面内において前記第１方向と交差する第２方向に延出する検出腕と、記駆動腕に設けられる駆動電極と、前記検出腕に設けられる検出電極と、を含み、前記駆動腕の少なくとも一部、および前記検出腕の少なくとも一部は、共に同じ圧電材料で構成され、前記駆動腕が、前記駆動腕における前記圧電材料の、前記第２方向の電界による前記第１方向の歪みによって前記第２方向の駆動振動が励振されているときに、前記第１方向の軸回りに角速度が作用すると、前記駆動腕には、前記第３方向の前記第１検出振動が生じ、前記第１検出振動が前記基部を経由して前記検出腕に伝播し、前記検出腕に、前記第１検出振動に対応した前記第３方向の前記第２検出振動が励振され、これによって、前記検出腕における前記圧電材料の、前記第２方向の歪みによる前記第２方向の電界によって電荷の移動が生じ、前記電荷の移動による電気信号が前記検出電極から出力され、前記検出電極は、櫛歯電極であり、前記櫛歯電極は、所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第１対向部分と、前記第１対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第２対向部分と、を有し、前記第１対向部分と第２対向部分は、前記検出腕の延出方向である前記第２方向に沿って配置されており、かつ、前記所定距離をＬ１とし、前記第１対向部分と前記第２対向部分との間の距離をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立する。

本態様では、駆動腕と検出腕は、互いに交差する方向に分離して配置されているため、静電結合ならびに電気機械結合を小さくできる。よって、高精度かつ高安定な振動型ジャイロセンサー素子が実現される。また、本態様では、駆動腕と検出腕とが分離されていることから、駆動電極と検出電極の各々の配線パターンを単純化することができる。したがって、製造時の歩留まりの向上ならびに製造コストの低減が実現される。

なお、駆動腕および検出腕自体を水晶結晶板のような圧電材料板で構成することができる。また、駆動腕および検出腕における基材を弾性を有する材料で構成し、その基材上に圧電膜を形成してもよい。つまり、圧電膜のもつ圧電特性によって、電界を歪みに変換して駆動腕を振動させたり、検出腕に生じた第２検出振動を電界に変換したりすることもできる。
また、櫛歯電極は、互いに所定距離だけ離間して対向して配置される一対の電極からなる第１対向部分と、この第１対向部分に隣接し、かつ、互いに所定距離だけ離間して対向して配置される一対の電極からなる第２対向部分と、を有する。第１対向部分および第２対向部分の各々において、対向する一対の電極間に電界（有効電界）が生じ、この電界（有効電界）が駆動腕に加えられる。一方、第１対向部分の第２対向部分側の電極と、第２対向部分の第１対向部分側の電極との間にも電界（無効電界）が生じる。第１対向部分および第２対向部分の各々において生じる有効電界の方向と、第１対向部分と第２対向部分との間に生じる無効電界の方向が逆である場合、有効電界の一部が無効電界によって打ち消されるという不都合が生じる。
このため、本態様では、第１対向部分および第２対向部分の各々における電極間の距離
（Ｌ１）よりも、第１対向部分と第２対向部分との間の距離（Ｌ２：具体的には、第１対
向部分の第２対向部分側の電極と第２対向部分の第１対向部分側の電極との間の距離）を
大きく設定する。これによって、第１対向部分と第２対向部分との間に生じる無効電界に
よる悪影響（つまり、有効電界の一部が無効電界によって打ち消されること）を軽減する
ことができる。

（３）本発明の振動型ジャイロ素子の他の態様では、前記駆動腕の幅をＷｄとし、前記検出腕の幅をＷｓとしたとき、Ｗｄ＜Ｗｓが成立する。

本態様では、駆動腕および検出腕の各々の幅に差を設ける。上述のとおり、駆動腕には、面内の駆動振動が励振される。検出感度をより向上させるためには、この面内の駆動振動の、基部を経由した検出腕への漏れ込みを、できるだけ低減することが好ましい。そこで、本態様では、検出腕の幅Ｗｓを、駆動腕の幅Ｗｄよりも大きく設定し、検出腕における面内（第１方向）の変形が生じにくくしている。よって、検出腕に、駆動振動に対応した不要な面内振動（つまり、駆動振動成分の漏れ込みによる不要な面内振動）が生じにくくなる。一方、検出腕に生じる第２検出振動は面外振動（第３方向の振動）であることから、検出腕の幅Ｗｓを大きくしたことによる影響はほとんど受けない。よって、本態様によれば、駆動振動成分の、検出腕への漏れ込みを効果的に低減することができる。

（３）本発明の振動型ジャイロ素子の他の態様では、前記検出腕は、互いに対向する一対の主面を有し、前記駆動腕は、第１主面としての第１面と、前記第１面に対向する、第２主面としての第２面と、前記第１面と前記第２面を連結する第３面と、前記第３面に対向する第４面と、を有し、前記駆動電極は、前記駆動腕の前記第１面に設けられる第１電極と、前記駆動腕の前記第２面に設けられ、前記第１電極に接続されている第２電極と、前記駆動腕の前記第３面に設けられ、前記第１電極および前記第２電極から電気的に独立している第３電極と、前記駆動腕の前記第４面に設けられ、前記第３電極に接続されている第４電極と、を有し、前記櫛歯電極は、前記検出腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる。

本態様では、駆動腕の第１面〜第４面の各々に設けられる第１電極〜第４電極の各々によって駆動腕に電界を生じさせ、これによって、駆動腕に第２方向の駆動振動（面内振動）を励振する。また、検出腕には、検出電極としての櫛歯電極（ＩＤＴ(interdigital transducer)電極）が設けられる。この櫛歯電極（ＩＤＴ電極）によって、第３方向の第２検出振動（面外振動）に伴って生じる微小な電流信号を検出することができる。

（６）本発明の振動型ジャイロ素子の他の態様では、前記駆動電極としての前記櫛歯電極は、前記第２対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第３対向部分を、さらに有し、前記第１対向部分、前記第２対向部分、前記第３対向部分の順に、前記基部からの距離が大きくなるものとし、かつ、前記第２対向部分と前記第３対向部分との間の距離をＬ３としたとき、Ｌ２＜Ｌ３が成立する。

本態様では、櫛歯電極に含まれる３つの対向部分の各々間の間隔を、基部からの距離に応じて変化させる。つまり、第１対向部分と第２対向部分との間の間隔（Ｌ２）よりも、第２対向部分と第３対向部分との間隔（Ｌ３）を大きく設定する。基部から遠い箇所は振動が少ないことから、基部から遠い箇所において電極間の間隔が増大したとしても、検出効率に与える影響は小さい。一方、検出腕の延出方向に沿って配置される対向部分の数を、各対向部分を等間隔で配置する場合に比べて減少させることができる。このことは、検出腕に発生する電界の総量が減ることを意味し、よって、消費電力の削減の効果が得られる。

（７）本発明の振動型ジャイロ素子の他の態様では、前記駆動腕は、前記基部から、正の第１方向に延出する第１駆動腕と、前記基部から、前記正の第１方向とは逆向きの負の第１方向に延出する第２駆動腕と、を有し、前記検出腕は、前記基部から、前記第１方向に直交する正の第２方向に延出する第１検出腕と、前記基部から、正の第２方向とは逆向きの負の第２方向に延出する第２検出腕と、を有し、前記駆動電極は、前記第１駆動腕に設けられる第１駆動電極と、前記第２駆動腕に設けられる第２駆動電極と、を有し、前記検出電極は、前記第１検出腕に設けられる第１検出電極と、前記第２検出腕に設けられる第２検出電極と、を有する。

本態様では、第１駆動腕に加えて第２駆動腕を設け、また、第１検出腕に加えて第２検出腕を設ける。駆動腕の数が増えることによって、駆動モードの励振効率（駆動振動の効率）が向上する。例えば、本態様では、第１駆動腕に生じる第１検出振動および第２駆動腕に生じる第１検出振動の双方が、第１検出腕および第２検出腕の各々に伝播するため、第１検出腕および第２検出腕の各々に生じる第２検出振動の振幅が増大する。

また、検出腕の数が増えることによって、検出効率が向上する。つまり、第２検出振動に対応して移動する電荷の総量が増え、その電荷を各検出腕に設けた検出電極から取り出すことによって、検出信号（Ｓ／ＮのＳ）を大きくすることができる。

本態様では、第１駆動腕と第２駆動腕は共に共通の基部に一端が連結されるが、各駆動腕の延出方向（延在方向）は逆向きである。つまり、第１駆動腕が正の第１方向に延出されるときは、第２駆動腕は負の第１方向に延出される。ここでいう正負は、延出方向の向きを具体的に示すために便宜上、使用される。例えば、基部の中心を原点とし、第１方向に沿って延びる軸（例えばＹ軸とする）を想定すると、＋Ｙ軸方向が正の第１方向であり、−Ｙ軸方向が負の第１方向である。

同様に、第１検出腕と第２検出腕は共に共通の基部に一端が連結されるが、各検出腕の延出方向（延在方向）は逆向きである。つまり、第１検出腕が正の第２方向に延出されるときは、第２検出腕は負の第２方向に延出される。ここでいう正負は、延出方向の向きを具体的に示すために便宜上、使用される。例えば、基部の中心を原点とし、第２方向に沿って延びる軸（例えばＸ軸とする）を想定すると、＋Ｘ軸方向が正の第２方向であり、−Ｘ軸方向が負の第２方向である。

また、本態様では、第１駆動腕には第１駆動電極が形成され、第２駆動腕には第２駆動電極が形成され、第１検出腕には第１検出電極が形成され、第２検出腕には第２検出電極が形成される。

（８）本発明の振動型ジャイロ素子の他の態様では、前記第１駆動腕および前記第２駆動腕の各々は、第１主面としての第１面と、前記第１面に対向する、第２主面としての第２面と、前記第１面と前記第２面とを連結する第３面と、前記第３面に対向する第４面と、を有し、また、前記第１検出腕および前記第２検出腕の各々は、互いに対向する一対の主面を有し、前記第１駆動電極は、前記第１駆動腕の前記第１面に設けられる、第１駆動腕用の第１電極と、前記第１駆動腕の前記第２面に設けられ、前記第１駆動用の第１電極に接続されている第１駆動腕用の第２電極と、前記第１駆動腕の前記第３面に設けられ、前記第１駆動腕用の第１電極および前記第１駆動腕用の前記第２電極から電気的に独立している第１駆動腕用の第３電極と、前記第１駆動腕の前記第４面に設けられ、前記第１駆動腕用の第３電極に接続されている第１駆動腕用の第４電極と、を有し、また、前記第２駆動電極は、前記第２駆動腕の前記第１面に設けられる、第２駆動腕用の第１電極と、前記第２駆動腕の前記第２面に設けられ、前記第２駆動腕用の第１電極に接続されている第２駆動腕用の第２電極と、前記第２駆動腕の前記第３面に設けられ、前記第２駆動腕用の第１電極および前記第２駆動腕用の前記第２電極から電気的に独立している第２駆動腕用の第３電極と、前記第２駆動腕の前記第４面に設けられ、前記第２駆動腕用の第３電極に接続されている第２駆動腕用の第４電極と、を有し、また、前記第１検出電極は、前記第１検出腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第１櫛歯電極であり、前記第２検出電極は、前記第２検出腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第２櫛歯電極であり、かつ、前記第１駆動腕用の第１電極および前記第１駆動腕用の第２電極は、前記第２駆動腕用の第３電極および前記第２駆動腕用の第４電極に共通に接続され、前記第１駆動腕用の第３電極および前記第１駆動腕用の第４電極は、前記第２駆動腕用の第１電極および前記第２駆動腕用の第２電極に共通に接続されている。

本態様では、上記（７）の態様における電極構造と、電極の接続形態について規定する。すなわち、第１検出腕には第１検出電極が形成されるが、この第１検出電極は、第１検出腕の一対の主面（第１面および第２面）の少なくとも一方に設けられる第１櫛歯電極である。同様に、第２検出腕には第２検出電極が形成され、この第２検出極は、第２検出腕の一対の主面（第１面および第２面）の少なくとも一方に設けられる第２櫛歯電極である。例えば、第１櫛歯電極を構成する一対の電極のうちの一方の電極は、第２櫛歯電極を構成する一対の電極のうちの一方の電極と共通に接続され、第１櫛歯電極を構成する一対の電極のうちの他方の電極は、第２櫛歯電極を構成する一対の電極のうちの他方の電極と共通に接続される。上記２つの共通接続点から、第２検出振動に伴って生じる微小な電気信号を取り出すことができる。

また、第１駆動腕の第１面〜第４面の各々には、第１駆動腕用の第１電極〜第４電極が設けられる。第２駆動腕の第１面〜第４面の各々には、第２駆動腕用の第１電極〜第４電極が設けられる。但し、第１駆動腕に生じる駆動振動の向きと、第２駆動腕に生じる駆動振動の向きは、互いに逆向きである。この点を考慮して、第１駆動腕における電極と第２駆動腕における電極との接続が決定される。つまり、第１駆動腕用の第１電極および第１駆動腕用の第２電極は、第２駆動腕用の第３電極および第２駆動腕用の第４電極に共通に接続される。また、第１駆動腕用の第３電極および第１駆動腕用の第４電極は、第２駆動腕用の第１電極および第２駆動腕用の第２電極に共通に接続される。

（９）本発明の振動型ジャイロセンサーの一態様では、前記検出電極から出力される前記電気信号に基づいて、前記第１方向の軸回りに作用する角速度を検出する検出回路と、を含む。

これによって、高精度の検出が可能な振動型ジャイロセンサー（振動型ジャイロスコープ）を実現することができる。

（８）本発明の振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法の一態様は、水晶板で構成される基部と、前記基部から、前記水晶板の所定結晶面内で第１方向に延出する、前記水晶板で構成される駆動腕と、前記基部から、前記水晶板の所定結晶面内において前記第１方向と直交する第２方向に延出する、前記水晶板で構成される検出腕と、を有する振動型ジャイロ素子と、前記第１方向の軸回りに作用する角速度を検出する検出回路と、を有する振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法であって、前記水晶板の、第２方向の電界に対応する第１方向の歪みを用いて、前記駆動腕に、第２方向の駆動振動を励振し、前記第１方向の軸回りに作用する角速度によって前記駆動腕に、前記所定結晶面に垂直な第３方向の第１検出振動を生じさせ、前記第１検出振動を、前記基部を経由して前記検出腕に伝播させて、前記検出腕に、前記第３方向の第２検出振動を生じさせ、かつ、前記検出腕に、前記水晶板の、第２方向の電界に対応した第２方向の歪みを用いて、前記第２方向の電界を生じさせ、前記第２方向の電界によって電荷が移動することによって生じる電気信号に基づいて、前記検出回路が前記角速度を検出し、前記振動型ジャイロ素子は、前記検出電極が、櫛歯電極であり、前記櫛歯電極は、所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第１対向部分と、前記第１対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第２対向部分と、を有し、前記第１対向部分と第２対向部分は、前記検出腕の延出方向である前記第２方向に沿って配置されており、かつ、前記所定距離をＬ１とし、前記第１対向部分と前記第２対向部分との間の距離をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立する。

本態様の角速度（物理量）検出方法では、水晶結晶板（例えばＺ板（略Ｚ板））によって構成される振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用の振動片）を使用する。駆動腕は基部から第１方向（例えばＹ軸方向）に延出する。検出腕は基部から第２方向（例えばＸ軸方向）に延出する。第１方向の軸と第２方向の軸とで規定される平面は、例えば水晶板のＺ面を含む平面である。また、本態様では、第１方向と第２方向とは直交する。

水晶板の第２方向の電界（例えばＸ軸方向の電界Ｅｘ）に対応する第１方向の歪み（Ｓｙ）を用いて駆動腕に、第２方向の駆動振動（面内振動）が励振される。第１方向の軸回りに作用する角速度によって、駆動腕に第３方向（例えばＺ軸方向）の第１検出振動（面外振動）が生じる。第１検出振動は、基部を介して検出腕に伝播される。

検出腕には、第３方向の第２検出振動が生じ、この第２検出振動に対応して電界が生じる。つまり、検出腕を構成する水晶板の、第１方向（Ｘ軸方向）の電界（Ｅｘ）に対応した第１方向の歪み（Ｓｘ）によって、第１方向の電界（Ｅｘ）が生じる。この第１方向の電界（Ｅｘ）によって電荷が移動することによって生じる電気信号に基づいて、検出回路が角速度を検出する。

本態様では、基部、駆動腕および検出腕自体が水晶板で構成されることから、圧電膜を基材上に形成する構造に比べて、振動ロスが少なく、また耐久性も高い。また、駆動腕と検出腕が分離されていることから、各腕における電極配置や配線も無理なく行える。また、駆動腕と検出腕が分離されていることから、静電結合や電気機械結合の影響も低減することができる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、第１実施形態にかかる振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）における、角速度の検出原理を説明するための図 図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、電極の配置例を示す平面図 図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、電極の配置例を示す断面図 振動型ジャイロセンサーの構成（検出回路を含む構成）の一例を示す図 検出振動から信号を検出する手段について説明するための図 図６（Ａ）〜図６（Ｆ）は、本実施形態における振動型ジャイロ素子および振動型ジャイロセンサーの構成と動作を説明するための図 検出腕における櫛歯電極の他の構成例を示す図 検出腕における櫛歯電極の他の構成例を示す図 検出腕における櫛歯電極の他の構成例を示す図 図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、第５実施形態にかかる振動型ジャイロ素子における電極配置の例ならびに配線の形成例を示す図 図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、第５実施形態の動型ジャイロ素子の動作を説明するための図 図５実施形態の振動型ジャイロセンサーにおける、第１検出腕と第２検出腕の電気的接続と検出電流の流れを示す図 図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、振動型ジャイロ素子の他の例（基材上に圧電材料膜を形成する例）について説明するための図 図１４（Ａ）〜図１４（Ｆ）は、圧電材料膜（圧電セラミック）の特性を説明するための図 電子機器の構成の一例を示す図 振動型ジャイロセンサーおける、静電結合、電気機械的結合ならびに機械結合について説明するための図

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（第１実施形態）
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、第１実施形態にかかる振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）における、角速度の検出原理を説明するための図である。

図１（Ａ）に示されるように、振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）１００は、基部１０と、基部から、所定面内（ＸＹ面内）で第１方向（Ｙ軸方向）に延出する駆動腕２０と、基部１０から、所定面内（ＸＹ面内）において第１方向（Ｙ軸方向）と交差する方向である第２方向（Ｘ軸方向）に延出する検出腕３０と、を有する。なお、駆動腕２０には駆動電極（図１（Ａ）では不図示）が設けられ、検出腕３０には検出電極（図１（Ａ）では不図示）が設けられる。また、基部１０は、センサーケース（不図示）等に、例えば接着剤によって固定される。

基部１０、駆動腕２０および検出腕３０自体を水晶結晶板のような圧電材料板で構成することができる。また、基部１０、ならびに駆動腕２０および検出腕３０における基材を弾性を有する材料で構成し、その基材上に圧電膜を形成してもよい。つまり、圧電膜のもつ圧電特性によって、電界を歪みに変換して駆動腕を振動させたり、検出腕に生じた第２検出振動を電界に変換したりすることもできる。但し、基部１０、駆動腕２０および検出板３０自体を水晶板等で構成する構造は、圧電膜を基材上に形成する構造に比べて、振動ロスが少なく、耐久性も高い。

本実施形態では、図１（Ａ）の振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）は、基部１０、駆動腕２０および検出腕３０自体が、Ｚ板（略Ｚ板）の水晶結晶板によって構成されるものとする。

上述のとおり、駆動腕２０は、基部１０から第１方向（Ｙ軸方向）に延出する。つまり、駆動腕２０の一端は基部１０に連結され、他端は自由端となっている。検出腕３０は、基部１０から第２方向（Ｘ軸方向）に延出する。つまり、検出腕３０の一端は基部１０に連結され、他端は自由端となっている。第１方向の軸（Ｙ軸）と第２方向の軸（Ｘ軸）とで規定される平面（ＸＹ平面）は、例えば水晶板のＺ面を含む平面である。また、第１方向と第２方向は、広義には互いに交差する方向であり、以下の説明では、互いに直交するものとする。

図１（Ａ）に示されるように、駆動腕２０における駆動振動ＶＡは第２方向（Ｘ軸方向：面内方向）に生じる。この駆動振動ＶＡは、水晶板の第２方向の電界（Ｘ軸方向の電界Ｅｘ）に対応する第１方向の歪み（Ｓｙ）を利用することによって生じさせることができる。

ここで、図１（Ｂ）を参照する。図１（Ｂ）は、水晶板の圧電定数と電界と歪みの関係を示す図である。太線で囲んで示されるように、水晶板は、第２方向の電界Ｅｘに対応する圧電定数として、高い数値を示しているｄ１１とｄ１２の二つを有している。ｄ１１は、第２方向の電界Ｅｘに対応して発生する第２方向（Ｘ軸方向）の歪みの大きさに関係する圧電定数であり、ｄ１２は、第２方向の電界Ｅｘに対応して発生する第１方向（Ｙ軸方向）の歪みの大きさに関係する圧電定数である。図示されるように、ｄ１１、ｄ１２は共に高い数値を示しており、電界Ｅｘによって大きな歪みＳｘ、Ｓｙを生じさせ、逆に歪みＳｘ、Ｓｙによって大きな電界Ｅｘを生じさせることができることを表している。ｄ１１およびｄ１２を、駆動振動の励振や、物理量の検出のために使用することができる。なお、ｄ１２について極性が負になっているのは、Ｘ方向に正の電界（＋Ｅｘ）が生じたとき、Ｙ方向に負の歪み、すなわち収縮が生じることを意味している。

つまり、水晶板は、第２方向（Ｘ軸方向）の電界＋Ｅｘが生じると、圧電定数ｄ１１によって第２方向（Ｘ軸方向）に伸張して引っ張り応力が発生し、また、ｄ１２によって、第１方向（Ｙ軸方向）に収縮して収縮応力が発生する。本実施形態では、圧電定数ｄ１２による歪みを駆動振動の励振に使用する。

また、逆に、水晶板に、例えば、第２方向（Ｘ軸方向）の引っ張り歪みＳｘが生じると、圧電定数ｄ１１によって、正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に電界＋Ｅｘが生じ、その電界の向きに電荷が移動する。本実施形態では、この圧電定数ｄ１１を、検出振動を電気信号に変換するために利用する。

すなわち、圧電定数ｄ１２を利用して駆動腕２０に駆動振動ＶＡが励振され、また、圧電定数ｄ１１を利用して、検出腕３０から検出信号が得られる。

駆動腕２０に、第２方向（Ｘ軸方向）の駆動振動が励振されている状態で、振動型ジャイロ素子１００が、第１方向（Ｙ軸方向）の軸回りに回転すると、駆動腕に角速度Ωが加わる。３次元空間における角速度は角速度ベクトルによって表すことができる。図１（Ａ）では、Ｙ軸に関して、図中の矢印で示す方向に角速度が生じ、この場合の角速度ベクトルは、右ネジの進行方向（すなわち＋Ｙ軸方向）に生じる。

駆動振動中の駆動腕２０に角速度が作用することによって、コリオリ力Ｆｃ（＋Ｆｃ，−Ｆｃ）が第３方向（Ｚ軸方向：ＸＹ平面に垂直な方向）に生じる。これによって、駆動腕２０に第３方向（Ｚ軸方向）の第１検出振動（面外振動）ＶＢが生じる。

第１検出振動ＶＢは、基部１０を介して検出腕３０に伝播される。よって、検出腕３０に、第２検出振動ＶＣが生じる。この第２検出振動ＶＣの方向は、第３方向（Ｚ軸方向）である。

検出腕３０には、第２検出振動ＶＣに対応して電界Ｅｘ（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）が生じる。つまり、検出腕３０を構成する水晶板の、第２方向（Ｘ軸方向）の電界（Ｅｘ）に対応した第２方向の歪みＳｘに関係する圧電定数（ｄ１１）によって、第２方向の電界（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）が生じる。この第２方向の電界（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）によって電荷の移動が生じる。つまり、微小な電流が生じる。この微小な電気信号（電荷信号あるいは電流信号）に基づいて、検出回路（図１（Ａ）では不図示）が角速度を検出する。

図１（Ａ）に示される振動型ジャイロ素子１００は、駆動腕２０と検出腕３０が分離されていることから、各腕における電極配置や配線も無理なく行える。また、駆動腕２０と検出腕３０が分離されていることから、静電結合や電気機械結合の影響も低減される。なお、静電結合や電気機械結合については、図１６を用いて後述する。

また、基部１０、駆動腕２０および検出腕３０自体を水晶板で構成し、水晶板自体がもつ圧電定数を用いて駆動振動を励振し、かつ水晶板自体がもつ圧電定数を用いて検出信号（電気信号）を検出することによって、圧電膜を基材上に形成する構造に比べて、振動ロスが少なく、また耐久性を高くすることができる。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、電極の配置例を示す平面図である。図２（Ａ）は、振動型ジャイロ素子１００の第１面（表面）における電極配置を示す図である。図２（Ｂ）は、振動型ジャイロ素子１００の第２面（裏面）における電極配置を示す透視図である。

図２（Ａ）に示すように、基部１０の第１面（表面）には、スルーホール部５０（図中、点線で囲んで示される）が設けられ、スルーホール部５０には、第１スルーホール５１と、第２スルーホール５２と、第３スルーホール５３と、が設けられる。また、基部１０には、第１パッド（外部接続端子）Ｐ１と、第２パッドＰ２と、第３パッドＰ３と、第４パッドＰ４と、が設けられる。第１パッドＰ１には、第１スルーホール部５１が電気的に接続される。第２パッドＰ２には、第２スルーホール部５２が電気的に接続される。第３パッドＰ３には、第３スルーホール部５３が電気的に接続される。また、第４パッドＰ４には、配線ｋ２が接続される。なお、図２（Ａ）において、ｋ１は駆動腕２０の壁面に設けられる配線であり、ｋ２は基部１０の壁面（側面）に設けられる配線であり、ｋ３〜ｋ５は、基部１０の第１面（表面）に設けられる配線である。

まず、検出腕３０に設けられる検出電極（櫛歯電極）について説明する。検出腕３０は一対の主面（第１面（表面）と第２面（裏面））を有する。この一対の主面の少なくとも一方に、櫛歯電極が形成される。本実施形態では、第１面（表面）および第２面（裏面）の双方に櫛歯電極が形成される。

図２（Ａ）において太い点線で囲んで示されるように、検出腕３０の第１面（表面）には、櫛歯電極（ＩＤＴ（interdigital transducer)電極）４０ａが設けられる。櫛歯電極４０ａは、電極４１ａ（斜線が施されている電極）と電極４１ｂ（黒塗りの電極）とを有する。

また、図２（Ｂ）において太い点線で囲んで示すように、検出腕３０の第２面（裏面）には、櫛歯電極４０ｂが設けられる。櫛歯電極４０ｂは、電極４１ｃ（斜線が施された電極）と電極４１ｄ（黒塗りの電極）とを有する。電極４１ｃは、電極４１ａに、第１スルーホール部５１を経由して接続されている。また、電極４１ｄは、電極４１ｂに、第２スルーホール部５２を経由して接続されている。なお、図２（Ｂ）において、ｋ１’は駆動腕２０の壁面に設けられる配線であり、ｋ２’は基部１０の壁面（側面）に設けられる配線であり、ｋ３’〜ｋ５’は、基部１０の第２面（裏面）に設けられる配線である。

ここで、図３（Ｂ）を参照して、櫛歯電極の構成について、具体的に説明する。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、電極の配置例を示す断面図である。なお、図３（Ａ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図３（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

ここで、図３（Ｂ）に示されるように、検出電極としての櫛歯電極４０ａ（表面に設けられる櫛歯電極）は、所定距離Ｌ１だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極（電極４１ａと電極４１ｂ）からなる第１対向部分４２（１）と、第１対向部分４２（１）に隣接して設けられ、かつ、所定距離Ｌ１だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極（４１ａ，４１ｂ）からなる第２対向部分４２（２）と、第２対向部分４２（２）に隣接して設けられ、かつ、所定距離Ｌ１だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極（４１ａ，４１ｂ）からなる第３向部分４２（３）と、を有している。

第１対向部分４１（１）〜第３対向部分４２（３）の各々は、検出腕３０の延出方向である第２方向（Ｘ軸方向）に沿って配置されている。また、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間の距離（あるいは、第２対向部分４２（２）と第３対向部分４２（３）との間の距離）をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立する。

Ｌ１＜Ｌ２とするのは、以下の理由による。以下の説明では、第１対向部分４２（１）および第２対向部分４２（２）に着目する。第１対向部分４２（１）および第２対向部分４２（２）の各々において、対向する一対の電極（４１ａ，４１ｂ）間に電界（有効電界）Ｅｘ（１）が生じる。

一方、第１対向部分４２（１）における第２対向部分側の電極４１ｂと、第２対向部分４２（２）の第１対向部分側の電極４１ａとの間にも電界（無効電界）Ｅｘ２が生じる。第１対向部分４２（１）および第２対向部分４２（２）の各々において生じる有効電界の方向Ｅｘ（１）と、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間に生じる無効電界Ｅｘ（２）の方向が逆である場合、有効電界Ｅｘ（１）の一部が無効電界Ｅｘ（２）によって打ち消されるという不都合が生じる。

このため、図３（Ｂ）に示される例では、第１対向部分４２（１）および第２対向部分４２（２）の各々における電極間の距離Ｌ１よりも、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間の距離（Ｌ２：具体的には、第１対向部分の第２対向部分側の電極４１ｂと第２対向部分の第１対向部分側の電極４１ａとの間の距離）を大きく設定する。これによって、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間に生じる無効電界Ｅｘ（２）による悪影響（つまり、有効電界Ｅｘ（１）の一部が無効電界Ｅｘ（２）によって打ち消されること）を軽減することができる。

次に、駆動腕２０における駆動電極の配置について説明する。この説明においては、図２（Ａ），図２（Ｂ）ならびに図３（Ａ）を適宜、参照する。例えば、図３（Ａ）に示されるように、駆動腕２０は、第１面（表面：Ａ面）と、第１面に対向する第２面（裏面：Ｂ面）と、第１面と第２面を連結する第３面（左側面：Ｃ面）と、第３面に対向する第４面（右側面：Ｄ面）とを有する。

駆動電極は、駆動腕２０の第１面（Ａ面）に設けられる第１電極３２ａと、駆動腕２０の第２面（Ｂ面）に設けられ、第１電極３２ａに接続されている第２電極３２ｂと、駆動腕２０の第３面（Ｃ面）に設けられ、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂから電気的に独立している第３電極３２ｃと、駆動腕２０の第４面（Ｄ面）に設けられ、第３電極３２ｃに接続されている第４電極３２ｄと、を有する。第１電極３２ａと第２電極３２ｂの共通接続点をＪ３とする。第３電極３２ｃと第４電極３２ｃの共通接続点をＪ４とする。共通接続点Ｊ３およびＪ４は、発振駆動回路の入力端子に相当する。

図４は、振動型ジャイロセンサーの構成の一例を示す図である。図４において、振動型ジャイロセンサー１０５は、振動型ジャイロ素子１００と、発振駆動回路１１０と、検出回路１４０と、を有する。発振駆動回路１１０は、ＡＧＣ回路１１２を有する。発振駆動回路１１０の入力端子Ｊ３およびＪ４は各々、振動型ジャイロ素子１００の基部１０に設けられるパッドＰ３およびパッドＰ４の各々に接続される。

また、検出回路１４０は、Ｑ／Ｖ変換回路１２０と、増幅回路１２２と、移相器１２４と、同期検波回路１２６と、ローパスフィルター（ＬＰＦ）１２８と、Ａ／Ｄ変換回路１３０と、を有する。検出回路１４０の入力端子Ｊ１およびＪ２の各々は、振動型ジャイロ素子１００の基部１０に設けられるパッドＰ１およびパッドＰ２の各々に接続される。なお、同期検波回路１２６は、検出信号に重畳される、不要な駆動振動成分を除去するために設けられている。

図５は、検出振動から信号を検出する手段について説明するための図である。図５の上側には検出腕３０の平面図が示され、中段には検出腕のＡ−Ａ線に沿う断面図が示され、下側には面外方向に振動している検出腕の様子が示されている。図３の下側に示されるように、検出腕３０に第２検出振動ＶＣが生じると、検出腕３０の第１面（Ａ面）および第２面（Ｂ面）には、引っ張りあるいは収縮の歪み（応力）が発生する。図５の中段には、検出腕３０の第１面（Ａ面）の歪みと、これに対応して生じる電界との関係が記載されており、また、検出腕３０の第２面（Ｂ面）の歪みと、これに対応して生じる電界との関係が記載されている。つまり、検出腕３０の第１面（Ａ面）および第２面（Ｂ面）に生じる、引っ張りあるいは収縮の歪み（応力）に対応して、Ｘ軸方向の電界Ｅｘ（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）が生じ、これに伴って電荷が移動し、微小電流信号（すなわち検出電流）が流れる。

ここで、図６を参照して、振動型ジャイロ素子および振動型ジャイロセンサーの構成と動作を、より具体的に説明する。図６（Ａ）〜図６（Ｆ）は、振動型ジャイロ素子および振動型ジャイロセンサーの構成と動作を説明するための図である。

図６（Ａ）に示される振動型ジャイロ素子１００において、駆動腕２０は、基部１０から第１方向（Ｙ軸方向）に延出している。検出腕３０は、基部１０から第２方向（Ｘ軸方向）に延出している。

また、図６（Ａ）の例では、駆動腕２０の幅をＷｄとし、検出腕３０の幅をＷｓとしたとき、Ｗｄ＜Ｗｓが成立する（但し、この例に限定されるものではない）。上述のとおり、駆動腕２０には、第２方向（Ｘ軸方向）の駆動振動ＶＡ（面内振動）が励振される。検出感度をより向上させるためには、この面内の駆動振動の、基部１０を経由した検出腕３０への漏れ込みを、できるだけ低減することが好ましい。

そこで、検出腕の幅Ｗｓを、駆動腕の幅Ｗｄよりも大きく設定する。これによって、検出腕３０における面内方向（第１方向（Ｙ軸方向））の変形が生じにくくなる。よって、検出腕３０に、駆動振動に対応した不要な面内振動（つまり、駆動振動成分の漏れ込みによる不要な面内振動）が生じにくくなる。

図６（Ｂ）は、駆動腕２０が、角速度が生じていない状態で、第２方向（Ｘ軸方向）に面内振動している状態（つまり、駆動振動ＶＡの励振状態）を示している。

図６（Ｃ）では、第１方向（Ｙ軸方向）の軸回りに角速度Ωが生じる。これに伴い、駆動腕２０には、コリオリ力によって第３方向（Ｚ軸方向）の第１検出振動（面外振動）ＶＢが生じる。

図６（Ｄ）では、駆動腕２０に生じた第１検出振動ＶＢが、基部１０を介して検出腕３０に伝達され、検出腕３０に第３方向（Ｚ軸方向）の第２検出振動（面外振動）ＶＣが生じる。検出腕３０の第２検出振動ＶＣによって生じる電界によって電荷が移動する。この電荷の移動による電気信号（微小電流信号）を検出することによって、角速度を検出することができる。

先に図１（Ｂ）に示したように、圧電素子としての水晶は、Ｘ方向の電界Ｅｘに対応した歪みＳｘに関係する圧電定数ｄ１１を有している。先に図４を参照して説明したように、振動腕が面外に振動すると、振動腕の表面には、収縮あるいは伸張の応力が生じ、また、振動腕の裏面には、伸張あるいは伸張の応力が生じる。このＸ軸方向（第２方向）に沿う応力（歪み）は、歪みＳｘに関係する圧電定数ｄ１１によって、Ｘ軸方向（第２方向）の電界Ｅｘ（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）に変換される。

図６（Ｅ）および図６（Ｆ）に示すように、検出腕３０には、櫛歯電極（４１ａ，４１ｂ）が形成されている。図６（Ｅ）に示すように、検出腕３０が＋Ｚ軸方向に屈曲した場合、櫛歯電極における対向部分（対向電極あるいは交差指電極）に第２方向の電界−Ｅｘが生じ、これによって、電極４１ｂから電極４１ａに向かって電荷が移動する。したがって、図６（Ｅ）では、Ｑ／Ｖ変換回路１２０の端子Ｊ２から端子Ｊ１に向かって微小な電流が流れる。

図６（Ｆ）では、検出腕３０は、−Ｚ軸方向に屈曲する。この場合、櫛歯電極における対向部分（対向電極あるいは交差指電極）に第２方向の電界＋Ｅｘが生じ、これによって、電極４１ａから電極４１ｂに向かって電荷が移動する。したがって、図６（Ｆ）では、Ｑ／Ｖ変換回路１２０の端子Ｊ１から端子Ｊ２に向かって微小な電流が流れる。このように、電荷の移動による電気信号（微小電流信号）を検出することによって、角速度を検出することができる。

上述のとおり、検出腕３０の幅Ｗｓは、駆動腕２０の幅Ｗｄよりも大きく設定することが好ましい。これによって、検出腕３０における面内（第１方向（Ｙ軸方向）の変形が生じにくくなり、検出腕３０に、駆動振動に対応した不要な面内振動（つまり、駆動振動成分の漏れ込みによる不要な面内振動）が生じにくくなる。一方、検出腕３０に生じる第２検出振動ＶＣは面外振動（第３方向の振動）であることから、検出腕３０の幅Ｗｓを大きくしたことによる影響はほとんど受けない。つまり、駆動振動成分の、検出腕への漏れ込みを効果的に低減することができる。よって、検出感度がより向上する。

（第２実施形態）
図７は、振動型ジャイロ素子における駆動腕における櫛歯電極の他の構成例を示す図である。

先に説明した図２〜図５に示される例では、櫛歯電極における、各対向部分間の距離は等間隔であったが、図７の例では、各対向部分間の距離を、基部１０からの距離に応じて異ならせる。

図７において、櫛歯電極の第１対向部分４２（１）、第２対向部分４２（２）、第３対向部分（４２（３）の各々は、記載の順に、基部１０からの距離が遠くなる。そして、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間隔をＬ２とし、第２対向部分４２（２）と第３対向部分４２（３）との間の距離をＬ３としたとき、Ｌ２＜Ｌ３が成立する。つまり、本実施形態では、櫛歯電極に含まれる３つの対向部分の各々間の間隔を、基部１０からの距離に応じて変化させる。つまり、第１対向部分と第２対向部分との間の間隔（Ｌ２）よりも、第２対向部分と第３対向部分との間隔（Ｌ３）を大きく設定する。基部から遠い箇所は振動が少ないことから、基部から遠い箇所において電極間の間隔が増大したとしても、検出効率に与える影響は小さい。一方、検出腕の延出方向に沿って配置される対向部分の数を、各対向部分を等間隔で配置する場合に比べて減少させることができる。このことは、検出腕に発生する電界の総量が減ることを意味し、よって、消費電力の削減の効果が得られる。

図７の例では、第１地点Ｎ１〜第２地点Ｎ２までの距離をＬ４としたとき、第２地点Ｎ２から第３地点Ｎ３までの距離Ｌ５が、２・Ｌ４となるように設定されている。このようにすれば、駆動腕２０の延出方向に沿って配置される対向部分の数を、各対向部分を等間隔で配置する場合に比べて減少させることができる（特に、駆動腕が長い場合には、対向部分の数の削減効果が顕在化する）。

（第３実施形態）
図８は、検出腕における櫛歯電極の他の構成例を示す図ある。図８の上側には、検出腕３０の平面図が示され、下側には、検出腕３０のＡ−Ａ線に沿う断面図が示される。

図８の下側の断面図に示されるように、検出腕３０の第１面（表面）には、凸部６０ａ〜６０ｃが設けられている。そして櫛歯電極を構成する、対向する一対の電極４１ａおよび４１ｂは、凸部６０ａ〜６０ｃの各々を挟むように形成されている。同様に、検出腕３０の第２面（裏面）には、凸部６０ａ’〜６０ｃ’が設けられている。そして、櫛歯電極を構成する、対向する一対の電極４１ｃおよび４１ｄは、凸部６０ａ’〜６０ｃ’の各々を挟むように形成されている。

この構造によれば、無駄な電界が減少することから、対向する電極（４１ａと４１ｂ、４１ｃと４１ｄ）間に生じる電界Ｅｘの強度を大きくすることができる。よって、より効率的に駆動振動を励振することができる。

また、各対向部分間に生じる無効な電界（図中、点線で示される）は、空気（減圧パッケージ内では例えば真空に近い）の誘電率が、振動腕の材料（水晶や石英）等の誘電率よりも小さいことから弱められる。よって、無効電界によって有効電界が打ち消されることが効果的に低減される。この点も効率的な検出振動の検出に寄与する。よって、本実施形態によれば、物理量（角速度等）の検出効率が向上し、振動型ジャイロセンサーの、より高感度化が実現される。

（第４実施形態）
図９は、検出腕における櫛歯電極の他の構成例を示す図ある。図９の例では、検出腕３０の第１面（Ａ面）に設けられる一対の櫛歯電極のうちの一方の電極４１ｂ（黒塗りの電極）と、検出腕３０の第２面（Ｂ面）に設けられる一対の櫛歯電極のうちの一方の電極４１ｄ（黒塗りの電極：電極４１ｂと同電位の電極）とが、対向して設けられている。

例えば、電極４１ｂおよび電極４１ｄ（黒塗りの電極）の電位極性を＋とし、電極４１ａおよび電極４１ｃ（斜線の電極）の電位極性を−とする。第１面（Ａ面）に設けられる櫛歯電極の極性の並びは、電極４１ｂを起点として、基部（図中の左端）から遠ざかる方向に沿って、＋，−，＋，−，＋となる。また、第２面（Ｂ面）に設けられる櫛歯電極の極性の並びは、電極４１ｂに対向する電極４１ｄを起点として、基部（図中の左端）から遠ざかる方向に沿って、＋，−，＋，−，＋，−となる。このように、互いに対向する電極を起点として考えると、第１面（Ａ面）の櫛歯電極の極性の並びと、第２面（Ｂ面）の櫛歯電極の極性の並びとが一致していることになる。

このような電極配置によって、第１面（Ａ面）と第２面（Ｂ面）との間で、無駄な縦方向の電界が生じにくくなる。よって、無駄な電界が減少することから検出効率が向上し、振動型ジャイロセンサーの、より高感度化が実現される。

（第５実施形態）
図１０〜図１２を参照して、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１駆動腕２０に加えて第２駆動腕２０’を設け、また、第１検出腕３０に加えて第２検出腕３０’を設ける。

図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、第５実施形態にかかる振動型ジャイロ素子における電極配置の例ならびに配線の形成例を示す図である。図１０（Ａ）は、第１面（表面）における平面視での電極の配置例を示している。

図１０（Ａ）に示されるように、第１検出腕３０には第１検出電極の一部としての櫛歯電極４０ａが設けられている。第１検出腕３０に設けられる櫛歯電極（第１面および第２面の各々に櫛歯電極が設けられる場合を含む）を総称して第１櫛歯電極という。櫛歯電極４０ａは、第１櫛歯電極の構成要素である。

また、第２検出腕３０’には、第２検出電極の一部としての櫛歯電極４０ａ’が設けられている。第２検出腕３０’に設けられる櫛歯電極（第１面および第２面の各々に櫛歯電極が設けられる場合を含む）を総称して第２櫛歯電極という。櫛歯電極４０ｂは、第２櫛歯電極の構成要素である。

櫛歯電極４０ａは、電極４１ａと４１ｂを有する。同様に、櫛歯電極４０ａ’は、電極４１ａ’と４１ｂ’を有する。電極４１ａと電極４１ａ’は電気的に接続される。また、電極４１ｂと電極４１ｂ’は電気的に接続される。電極４１ａと電極４１ａ’は互いに、基部１０の中心Ｏに関して点対称の位置関係にある。また、電極４１ｂと電極４１ｂ’は互いに、基部１０の中心Ｏに関して点対称の位置関係にある。

また、第１駆動腕２０に設けられる第１駆動電極は、第１駆動腕２０の第１面に設けられる第１駆動腕用の第１電極３２ａと、第１駆動腕２０の第２面に設けられ、第１駆動腕用の第１電極に接続されている第１駆動腕用の第２電極３２ｂ（図１０では不図示，図３（Ａ）参照）と、第１駆動腕２０の第３面に設けられ、第１駆動腕用の第１電極および第１駆動腕用の第２電極から電気的に独立している第１駆動腕用の第３電極３２ｃと、第１駆動腕の第４面に設けられ、第１駆動腕用の第３電極３２ｃに接続されている第１駆動腕用の第４電極３２ｄと、を有する。

また、第２駆動腕２０’に設けられる第２駆動電極は、第２駆動腕２０’の第１面に設けられる第２駆動腕用の第１電極３２ａ’と、第２駆動腕２０’の第２面に設けられ、第２駆動腕用の第１電極に接続されている第２駆動腕用の第２電極３２ｂ’（図１０では不図示、図３（Ａ）の第２電極３２ｂに相当する）と、第２駆動腕２０’の第３面に設けられ、第２駆動腕用の第１電極および第２駆動腕用の第２電極から電気的に独立している第２駆動腕用の第３電極３２ｃ’と、第２駆動腕２０’の第４面に設けられ、第２駆動腕用の第３電極に接続されている第２駆動腕用の第４電極３２ｄ’と、を有する。

このように、第１駆動腕２０の第１面〜第４面の各々には、第１駆動腕用の第１電極３２ａ〜第４電極３２ｄが設けられ、第２駆動腕２０’の第１面〜第４面の各々には、第２駆動腕用の第１電極３２ａ’〜第４電極３２ｄ’が設けられる。

但し、第１駆動腕２０の、駆動振動ＶＡによる屈曲方向と、第２検出腕２０’の、駆動振動ＶＡによる屈曲方向は、上述したように互いに逆向きである。この点を考慮して、第１駆動腕２０における各電極と第２駆動腕２０’における各電極との接続が決定されている。

つまり、第１駆動腕用の第１電極３２ａおよび第１駆動腕用の第２電極３２ｂは、第２駆動腕用の第３電極３２ｃ’および第２駆動腕用の第４電極３２ｄ’に共通に接続される。また、第１駆動腕用の第３電極３２ｃおよび第１駆動腕用の第４電極３２ｄは、第２駆動腕用の第１電極３２ａ’および第２駆動腕用の第２電極３２ｂ’に共通に接続される。上記２つの共通接続点の各々が、発振駆動回路１１０（図４参照）に接続される。

図１０（Ｂ）は、第１面（表面）における平面視での配線やスルーホールの配置例を示している。図１０（Ｂ）において、ｋ１０は第１駆動腕２０の壁面に形成される配線であり、ｋ１１は第２検出腕３０’の壁面に形成される配線であり、ｋ１３は第２駆動腕２０’の壁面に形成される配線であり、ｋ１４は第１検出腕３０の壁面に形成される配線である。

また、図１０（Ｂ）において、Ｐ１’は第１パッドであり、Ｐ２’は第２パッドであり、Ｐ３’は第３パッドであり、Ｐ４’は第４パッドである。

また、図１０（Ｂ）において、太い点線で囲まれて示される領域５１は、第１スルーホール部であり、同様に、太い点線で囲まれて示される領域５１’は、第２スルーホール部である。第１スルーホール部５１および第２スルーホール部５１’の各々には複数のスルーホールが含まれる。これらのスルーホールは、例えば、第１面上に形成される電極と、第２面上に形成される電極とを相互に接続するために使用され、また例えば、第１面上の配線と第２面上の配線とで立体交差を実現するために使用される。

図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、第５実施形態の動型ジャイロ素子の動作を説明するための図である。

図１１（Ａ）は、本実施形態の振動型ジャイロ素子１００’の平面図を示す。第１駆動腕２０には駆動振動ＶＡが励振され、第２駆動腕２０’には駆動振動ＶＡ’が励振される（屈曲方向は同じ向き）。

ここで、第１方向の軸（Ｙ軸）回りに角速度Ωが生じると、図１１（Ｂ）に示すように、駆動腕２０にコリオリ力Ｆｃ（＋Ｆｃおよび−Ｆｃ）が作用し、第１駆動腕２０に、第３方向（Ｚ軸方向）の第１検出振動ＶＢが生じ、第２駆動腕２０’に、第３方向（Ｚ軸方向）の第１検出振動ＶＢ’が生じる（屈曲方向は同じ向き）。

第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’の各々は、弾性をもつ基部１０を介して第１検出腕３０および第２検出腕３０’の各々に連結されている。よって、第１駆動腕２０に生じた第１検出振動ＶＢ、ならびに第２駆動腕２０’に生じた第１検出振動ＶＢ’は、基部１０を介して、第１検出腕３０および第２検出腕３０’の各々に効率的に伝播する。第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’の各々が、例えば−Ｚ方向に振動しているとき（つまり、図中、実線で示される状態のとき）は、第１検出腕３０および第２検出腕３０’の各々には、＋Ｚ方向の検出振動が生じる。また、第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’の各々が、＋Ｚ方向に振動しているとき（つまり、図中、点線で示される状態のとき）は、第１検出腕３０および第２検出腕３０’の各々には、−Ｚ方向の検出振動が生じる。

また、第１検出腕３０および第２検出腕３０’の幅は、第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’の幅よりも広く設定されていることから、第１検出腕３０および第２検出腕３０’における第１方向（Ｙ軸方向）の変形はほとんど生じない。つまり、第１検出腕３０および第２検出腕３０’には、第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’の駆動振動（面内振動）成分の漏れ込みによる、不要な面内振動が生じにくく、よって、駆動振動成分の漏れ込みによる検出感度の低下は問題とならない。

図１２は、図５実施形態の振動型ジャイロセンサーにおける、第１検出腕３０と第２検出腕３０’の電気的接続と検出電流の流れを示す図である。図１２の例では、第１検出腕３０に＋Ｚ軸方向の第２検出振動が生じ、第２検出腕３０’に−Ｚ軸方向の第２検出振動が生じている。この場合、図中の矢印で示すような電荷Ｑの移動が生じる。つまり、Ｑ／Ｖ変換回路１２０のＪ２端子からＪ１端子に電流が流れる。この電気信号に基づいて物理量（角速度）が検出される。

このように、本実施形態では、第１駆動腕２０に加えて第２駆動腕２０’が設けられ、また、第１検出腕３０に加えて第２検出腕３０’が設けられる。駆動腕の数が増えることによって、駆動モードの励振効率（駆動振動の効率）が向上する。例えば、第１駆動腕２０に生じる第１検出振動ＶＢおよび第２駆動腕２０’に生じる第１検出振動ＶＢ’の双方が、第１検出腕３０および第２検出腕３０’の各々に伝播するため、第１検出腕３０および第２検出腕３０’の各々に生じる第２検出振動ＶＣ，ＶＣ’の振幅が増大する。

また、検出腕の数が増えることによって、検出効率が向上する。つまり、第２検出振動ＶＣ，ＶＣ’に対応して移動する電荷Ｑの総量が増え、その電荷Ｑを各検出腕に設けた検出電極から取り出すことによって、検出信号（Ｓ／ＮのＳ）を大きくすることができる。よって、検出感度が向上する。

（第６実施形態）
本実施形態では、基材上に圧電材料膜を形成する例について説明する。図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、振動型ジャイロ素子の他の例（基材上に圧電材料膜を形成する例）について説明するための図である。

図１３（Ａ）は、基材上に圧電材料膜（圧電膜）を形成した振動型ジャイロ素子１０２の平面図である。図１３（Ｂ）は，駆動腕２０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。また、図１３（Ｃ）は、検出腕３０のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図１３（Ａ）に示される振動型ジャイロ素子１０２の基本的な動作は第１実施形態で示したものと同じである。但し、図１３の例では、駆動振動の励振ならびに検出腕の歪みの電気信号への変換に、基材上に形成される圧電材料膜を使用する。

基材は弾性を有する材料（例えば水晶）であり、圧電材料としては、例えば、ＺｎＯ，ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３のいずれかを使用することができる。

また、図１３（Ｂ）に示すように、駆動腕２０の、例えば第１面上には、第１検出用積層体１１０ａと、第２検出用積層体１１０ｂと、が形成されている。第１検出用積層体１１０ａは、下部電極１１２ａと、圧電材料膜９３ａと、上部電極１１４ａとで構成される。また、第２検出用積層体１１０ｂは、下部電極１１２ｂと、圧電材料膜９３ｂと、上部電極１１４ｂとで構成される。

また、図１３（Ｃ）において、弾性を有する基材９１上には、下部電極９２と、圧電材料膜９３と、上部電極９４とで構成される積層体９０が設けられている。検出腕３０に第２検出振動（第３方向の面外振動）が生じると、圧電材料膜９３に応力が加えられ、下部電極９２と上部電極９４との間に電界が生じる。各電界によって、電荷の移動が生じる。よって、角速度を検出するがことができる。

図１４（Ａ）〜図１４（Ｆ）は、圧電材料膜（圧電セラミック）の特性を説明するための図である。図１４において、（＋）や（−）は極性を示し、丸で囲まれて示されている−は、分極されたマイナスイオンを示し、丸で囲まれて示されている＋は、分極されたプラスイオンを示す。図１４（Ａ）は、無負荷状態を示す。図１４（Ｂ）のように、圧電材料膜９３に圧縮が生じると、正極性の電圧が生じる。また、図１４（Ｃ）のように、圧電材料膜９３に引っ張りが生じると、負極性の電圧が生じる。

また、図１４（Ｄ）に示すように、圧電材料膜９３に正極性の電圧が印加されると、圧電材料膜９３に引っ張り応力が発生する。また、図１４（Ｅ）に示すように、圧電材料膜９３に負極性の電圧が印加されると、圧電材料膜９３に収縮応力が生じる。よって、図１４（Ｆ）に示すように、圧電材料膜９３に交流信号を供給すると、圧電材料膜９３に伸縮（伸張と収縮）を生じさせることができる。このような圧電材料膜の特性を利用すれば、図１３の例で説明したように、駆動腕に駆動振動（第２方向の面内振動）を生じさせることができ、また、検出腕に生じる応力を電気信号に変換することもできる。

（第７実施形態）
本実施形態では、電子機器の一例について説明する。図１５は、振動型ジャイロセンサーを含む電子機器について説明する。図１５は、振動型ジャイロセンサーを含む電子機器の構成の一例を示す図である。

図１５において、上記いずれかの実施形態の振動型ジャイロ素子１００（あるいは１０２）ならびに他の種類の検出素子（ここでは加速度検出素子とする）５００を組み合わせることによって、高機能なセンサーユニット（電子機器の一種）６００を実現することができる。

また、このセンサーユニット６００（ならびに、例えばＣＰＵ７００等）を、カメラやＦＡ機器等の電子機器８００に搭載すれば、電子機器８００を、より高機能化することができる。すなわち、振動型ジャイロセンサー１００（１０２）は、従来に比べて格段に高精度な角速度の検出が可能であり、よって、電子機器（６００、８００）の性能が向上する。

（静電結合、電気機械的結合、機械結合についての説明）
図１６は、振動型ジャイロセンサーおける、静電結合、電気機械的結合ならびに機械結合について説明するための図である。図１６において、駆動電極４００と検出電極４３０とが近接して配置されると、各電極間には寄生容量が形成される。よって、各電極間で静電結合（クロストーク）ＣＰ１が生じ易くなる。

また、駆動電極４００と検出電極４３０が近接して配置され、かつ、駆動電極４００と検出電極４３０の電位が異なる場合には、意図しない不要な電界が生じ、これに伴う不要な振動成分が発生する。つまり、電気機械結合ＣＰ２およびＣＰ３が生じる。なお、機械結合Ｃ４により、駆動振動が検出腕に漏れ込む場合も有り得る。

上述した、本発明の各実施形態にかかる振動型ジャイロセンサーでは、駆動腕と検出腕が分離されていることから、各腕における電極配置や配線も無理なく行える。また、駆動腕と検出腕が分離されていることから、静電結合や電気機械結合の影響も低減される。なお、機械的結合によって検出腕に漏れ込む駆動振動は、同期検波の採用によって除去することが可能である。

このように、本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる振動型ジャイロ素子では、駆動腕と検出腕は、互いに交差する方向に分離して配置されているため、静電結合ならびに電気機械結合を小さくできる。よって、高精度かつ高安定な振動型ジャイロセンサー素子が実現される。また、駆動腕と検出腕とが分離されていることから、駆動電極と検出電極の各々の配線パターンを単純化することができる。したがって、製造時の歩留まりの向上ならびに製造コストの低減が実現される。

以上、本発明をいくつかの実施形態を用いて説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

１０ 基部、２０ 駆動腕（駆動アーム）、３０ 検出腕（検出アーム）、
３２ａ〜３２ｄ 駆動電極、４０ａ，４０ｂ 櫛歯電極、
４１ａ，４１ｂ 櫛歯電極を構成する一対の電極、５０ スルーホール部、
１００ 振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）、
１０５ 振動型ジャイロセンサー、Ｐ１〜Ｐ４ パッド部、
Ｓｙ，Ｓｘ 第１方向電界および第２方向電界に対応した圧電材料の歪み、
Ｅｘ 圧電素子における第２方向電界

Claims (8)

1. 基部と、
   前記基部から、所定面内で第１方向に延出する駆動腕と、
   前記基部から、前記所定面内において前記第１方向と交差する第２方向に延出する検出
   腕と、
   前記駆動腕に設けられる駆動電極と、
   前記検出腕に設けられる検出電極と、
   を含み、
   前記駆動腕の少なくとも一部、および前記検出腕の少なくとも一部は、共に同じ圧電材料で構成され、
   前記駆動腕が、前記駆動腕における前記圧電材料の、前記第２方向の電界による前記第１方向の歪みによって前記第２方向の駆動振動が励振されているときに、前記第１方向の軸回りに角速度が作用すると、前記駆動腕には、前記第３方向の前記第１検出振動が生じ、前記第１検出振動が前記基部を経由して前記検出腕に伝播し、
   前記検出腕に、前記第１検出振動に対応した前記第３方向の前記第２検出振動が励振され、これによって、前記検出腕における前記圧電材料の、前記第２方向の歪みによる前記第２方向の電界によって電荷の移動が生じ、前記電荷の移動による電気信号が前記検出電極から出力され、
   前記検出電極は、櫛歯電極であり、
   前記櫛歯電極は、所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第１対向部分と、
   前記第１対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第２対向部分と、
   を有し、
   前記第１対向部分と第２対向部分は、前記検出腕の延出方向である前記第２方向に沿って配置されており、かつ、前記所定距離をＬ１とし、前記第１対向部分と前記第２対向部分との間の距離をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立する、
   ことを特徴とする振動型ジャイロ素子。
2. 請求項１に記載の振動型ジャイロ素子であって、
   前記駆動腕の幅をＷｄとし、前記検出腕の幅をＷｓとしたとき、Ｗｄ＜Ｗｓが成立することを特徴とする振動型ジャイロ素子。
3. 請求項２に記載の振動型ジャイロ素子であって、
   前記検出腕は、互いに対向する一対の主面を有し、
   前記駆動腕は、第１主面としての第１面と、前記第１面に対向する、第２主面としての第２面と、前記第１面と前記第２面を連結する第３面と、前記第３面に対向する第４面と、を有し、
   前記駆動電極は、
   前記駆動腕の前記第１面に設けられる第１電極と、
   前記駆動腕の前記第２面に設けられ、前記第１電極に接続されている第２電極と、
   前記駆動腕の前記第３面に設けられ、前記第１電極および前記第２電極から電気的に独立している第３電極と、
   前記駆動腕の前記第４面に設けられ、前記第３電極に接続されている第４電極と、を有し、
   前記櫛歯電極は、前記検出腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられることを特徴とする振動型ジャイロ素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の振動型ジャイロ素子であって、
   前記検出電極としての前記櫛歯電極は、
   前記第２対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第３対向部分を、さらに有し、
   前記第１対向部分、前記第２対向部分、前記第３対向部分の順に、前記基部からの距離が大きくなるものとし、かつ、前記第２対向部分と前記第３対向部分との間の距離をＬ３としたとき、Ｌ２＜Ｌ３が成立する、
   ことを特徴とする振動型ジャイロ素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の振動型ジャイロ素子であって、
   前記駆動腕は、前記基部から、正の第１方向に延出する第１駆動腕と、前記基部から、前記正の第１方向とは逆向きの負の第１方向に延出する第２駆動腕と、を有し、
   前記検出腕は、前記基部から、前記第１方向に直交する正の第２方向に延出する第１検出腕と、前記基部から、正の第２方向とは逆向きの負の第２方向に延出する第２検出腕と、を有し、
   前記駆動電極は、前記第１駆動腕に設けられる第１駆動電極と、前記第２駆動腕に設けられる第２駆動電極と、を有し、
   前記検出電極は、前記第１検出腕に設けられる第１検出電極と、前記第２検出腕に設けられる第２検出電極と、を有する、
   ことを特徴とする振動型ジャイロ素子。
6. 請求項５に記載の振動型ジャイロ素子であって、
   前記第１駆動腕および前記第２駆動腕の各々は、第１主面としての第１面と、前記第１面に対向する、第２主面としての第２面と、前記第１面と前記第２面とを連結する第３面と、前記第３面に対向する第４面と、を有し、また、前記第１検出腕および前記第２検出腕の各々は、互いに対向する一対の主面を有し、
   前記第１駆動電極は、前記第１駆動腕の前記第１面に設けられる、第１駆動腕用の第１電極と、前記第１駆動腕の前記第２面に設けられ、前記第１駆動腕用の第１電極に接続されている第１駆動腕用の第２電極と、前記第１駆動腕の前記第３面に設けられ、前記第１駆動腕用の第１電極および前記第１駆動腕用の第２電極から電気的に独立している第１駆動腕用の第３電極と、前記第１駆動腕の前記第４面に設けられ、前記第１駆動腕用の第３電極に接続されている第１駆動腕用の第４電極と、を有し、
   また、前記第２駆動電極は、前記第２駆動腕の前記第１面に設けられる、第２駆動腕用の第１電極と、前記第２駆動腕の前記第２面に設けられ、前記第２駆動腕用の第１電極に接続されている第２駆動腕用の第２電極と、前記第２駆動腕の前記第３面に設けられ、前記第２駆動腕用の第１電極および前記第２駆動腕用の第２電極から電気的に独立している第２駆動腕用の第３電極と、前記第２駆動腕の前記第４面に設けられ、前記第２駆動腕用の第３電極に接続されている第２駆動腕用の第４電極と、を有し、
   また、前記第１検出電極は、前記第１検出腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第１櫛歯電極であり、前記第２検出電極は、前記第２検出腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第２櫛歯電極であり、
   かつ、前記第１駆動腕用の第１電極および前記第１駆動腕用の第２電極は、前記第２駆動腕用の第３電極および前記第２駆動腕用の第４電極に共通に接続され、前記第１駆動腕用の第３電極および前記第１駆動腕用の第４電極は、前記第２駆動腕用の第１電極および前記第２駆動腕用の第２電極に共通に接続されている、
   ことを特徴とする振動型ジャイロ素子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の振動型ジャイロ素子と、
   前記検出電極から出力される前記電気信号に基づいて、前記第１方向の軸回りに作用する角速度を検出する検出回路と、
   を含むことを特徴とする振動型ジャイロセンサー。
8. 水晶板で構成される基部と、前記基部から、前記水晶板の所定結晶面内で第１方向に延出する、前記水晶板で構成される駆動腕と、前記基部から、前記水晶板の所定結晶面内において前記第１方向と直交する第２方向に延出する、前記水晶板で構成される検出腕と、を有する振動型ジャイロ素子と、前記第１方向の軸回りに作用する角速度を検出する検出回路と、を有する振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法であって、
   前記水晶板の、第２方向の電界に対応する第１方向の歪みを用いて、前記駆動腕に、第２方向の駆動振動を励振し、
   前記第１方向の軸回りに作用する角速度によって前記駆動腕に、前記所定結晶面に垂直な第３方向の第１検出振動を生じさせ、
   前記第１検出振動を、前記基部を経由して前記検出腕に伝播させて、前記検出腕に、前記第３方向の第２検出振動を生じさせ、かつ、前記検出腕に、前記水晶板の、第２方向の電界に対応した第２方向の歪みを用いて、前記第２方向の電界を生じさせ、前記第２方向の電界によって電荷が移動することによって生じる電気信号に基づいて、前記検出回路が前記角速度を検出し、
   前記振動型ジャイロ素子は、前記検出電極が、櫛歯電極であり、
   前記櫛歯電極は、所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第１対向部分と、
   前記第１対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第２対向部分と、
   を有し、
   前記第１対向部分と第２対向部分は、前記検出腕の延出方向である前記第２方向に沿って配置されており、かつ、前記所定距離をＬ１とし、前記第１対向部分と前記第２対向部分との間の距離をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立する、
   ことを特徴とする振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法。

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