JP5617534B2 - 圧電振動型ヨーレートセンサ - Google Patents

Description

本発明は、高感度且つ優れたノイズ低減効果を有するヨーレートセンサに関する。

従来、微小振動を検出するための圧電振動デバイスとして、例えば、振動する質量体に回転が加えられた際に生じるコリオリ力に起因して発生する非常に微弱な振動や変位を、圧電素子を介して検出することにより、各方向における回転動作（回転角速度）を検知・測定することが可能な圧電振動型ヨーレートセンサ（ジャイロセンサ）が知られている。また近年、長寿命・低価格且つ小型・軽量の圧電振動型ヨーレートセンサとして、基部を挟んで対向する複数の振動腕を有するセンサ素子を備え、一方の振動腕（駆動腕）を平面内で駆動させ、コリオリ力によってその駆動方向と直交する方向へ生じた振動・変位を、他方の振動腕（検出腕）にて検知するＨ型ヨーレートセンサが提案又は実用に供されている。

しかし、極めて小型のセンサ素子を有するＨ型ヨーレートセンサでは、駆動腕自体の質量が小さいことから、Ｆ＝２ｍｖΩで表わされるコリオリ力自体が小さくなってしまうので、その検知感度が低下してしまう。加えて、センサ素子の各振動腕が接続される基部は、例えばセンサパッケージの略中央部に固定されるところ、Ｈ型ヨーレートセンサ全体を小型化するため、振動腕と基部内の接続部位を所望に長くすることは、その構造上、極めて困難である。その結果、その接続部位の剛性が過度に高くなり、コリオリ力による駆動腕の振動・変位を十分に大きくし難くなるので、コリオリ力の検知感度が更に低下してしまう。また、極めて小型のセンサ素子を有するＨ型ヨーレートセンサの製造には、殊に高い加工精度や組立精度が要求されるところ、それらの精度が十分ではないと、不要振動（もれ振動）に起因するノイズが生じ易くなってしまう。

これに対し、例えば、特許文献１には、複数の振動モードを混在させることにより不要振動（もれ振動）の低減を企図した角速度センサが提案されている。この角速度センサは、Ｈ型構造の振動子を備えており、すべての腕が同方向に振動するあおぎ振動モード（第３振動モード）の周波数が、駆動腕と検出腕とが逆位相に振動する検出モード（左右逆位相且つ上下逆位相の第１振動モード）と、駆動腕と検出腕とが同位相に振動する検出モード（左右逆位相且つ上下同位相の第２振動モード）との間に設定され、そのあおぎ振動モードの近傍の周波数で励振されることにより、もれ振動があおぎ振動モードに集中し、且つ、厚さ方向の振動が同位相振動とされるものである。

特許第３７６９３２２号

しかしながら、特許文献１に記載された角速度センサにおいて生起されるあおぎ振動は、もれ振動を隠すための振動子全体の屈曲振動であるので、振幅量が非常に大きい同位相信号が生じるものと想定される。そうすると、かかる大振幅の同位相信号がコリオリ力の検出における有害なノイズとなってしまい、非常に微弱なコリオリ力に基づく検知信号を検出することは極めて困難である。

以上のことから、従来のＨ型ヨーレートセンサや上記特許文献１記載の角速度センサ等においては、十分な感度の向上及びノイズの低減、すなわち、十分なＳ／Ｎ比の改善を図ることは不可能であった。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来に比して高感度であり、且つ、優れたノイズ低減効果を有する圧電振動型ヨーレートセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明による圧電振動型ヨーレートセンサは、少なくとも一対の駆動腕と少なくとも一対の検出腕とを備えており、少なくとも一対の駆動腕にて生じたコリオリ力を少なくとも一対の検出腕にて検出する圧電振動型ヨーレートセンサであって、少なくとも一対の検出腕における検出感度スペクトルは、少なくとも一対の駆動腕と少なくとも一対の検出腕とが逆位相で振動する第１検出用振動モードにおける第１共振周波数をピーク周波数とする第１ピーク、及び、少なくとも一対の駆動腕と少なくとも一対の検出腕とが同位相で振動する第２検出用振動モードにおける第２共振周波数をピーク周波数とする第２ピークを有しており、検出感度スペクトルにおいては、第１共振周波数及び第２共振周波数のうちのいずれか小さい一方の共振周波数よりもΔｆ高い周波数での検出感度が、一方の共振周波数よりもΔｆ低い周波数での検出感度よりも大きく、且つ、第１共振周波数及び第２共振周波数のうちのいずれか大きい他方の共振周波数よりもΔｆ低い周波数での検出感度が、他方の共振周波数よりもΔｆ高い周波数での検出感度よりも大きいものである。この場合、検出感度スペクトルは、例えば、第１検出用振動モードでの検出感度スペクトルと、第２検出用振動モードでの検出感度スペクトルとが、合算されたものである。

この構成によれば、圧電振動型ヨーレートセンサの検出感度スペクトルにおいて、第１ピークと第２ピーク、すなわち、第１検出用振動モードの共振周波数と第２検出用振動モードの共振周波数とが近接しているので、両モードが互いに振動を強め合う振動形態となって検出感度スペクトルが混合・合算され、その結果、検出腕における振幅が有意に増大することにより、センサの感度を高めることができる。

また、本発明による圧電振動型ヨーレートセンサは、駆動腕の駆動振動共振周波数が、検出腕の第１検出用振動モードにおける第１共振周波数（第１ピークのピーク周波数）と検出腕の第２検出用振動モードにおける第２共振周波数（第２ピークのピーク周波数）との間の周波数に設定されたものであってもよい。

この構成によれば、第１検出用振動モードと第２検出用振動モードとが混合された場合、検出腕のＺ方向の振動が互いに増幅されるだけでなく、駆動腕はＺ方向の振動に対し互いに振動を打ち消しあう振動形態となるため、その振幅が減少する。これにより、圧電振動型ヨーレートセンサに外部から回転が印加されておらずコリオリ力が発生していない状態（回転していない状態）において、駆動腕における不要振動（もれ振動）が検出腕を振動させてしまうことを有意に防止することができ、さらに、圧電振動型ヨーレートセンサのＳ／Ｎ比を飛躍的に向上させることができる。また、駆動腕が、第１検出用振動モードと第２検出用振動モードの振動が互いに釣り合った状態（均衡状態）で混合されているので、圧電振動型ヨーレートセンサに外部から回転が印加されてコリオリ力が発生した状態（回転している状態）において両振動モードのその均衡状態が瞬間的に崩れることにより大きな振動が生じ、センサの更なる感度向上が達成される。

さらに、本発明による圧電振動型ヨーレートセンサは、少なくとも一対の駆動腕、及び、少なくとも一対の検出腕が接続される枠体と、その枠体の内部に形成された接続島部と、少なくとも一対の駆動腕及び／又は少なくとも一対の検出腕の延在方向と平行な方向に延在し、且つ、枠体に跨設された複数の橋部と、接続島部と複数の橋部を連結する複数の補助橋部と、を有する基部を備えていても好適である。より具体的には、少なくとも一対の駆動腕と少なくとも一対の検出腕は、互いに対向する方向（反対方向）に延設されていてもよく、また、枠体の形状は、特に制限されず、例えば、方形であってもよい。また、複数の橋部と複数の補助橋部は、互いに交差する方向、特に、互いに直交又は略直交する方向に延設されていると好ましい。

このように構成すれば、基部において、枠体の内部（空間）に形成された接続島部を例えばセンサパッケージへと固定することができ、この場合、コリオリの力によって駆動腕において生じた振動変位が検出腕に伝搬する際に、基部自体が捻れてしまうことが有効に防止される。その結果、検出腕の根元における変位をより大きくすることができるので、検出感度を一層向上させることができる。

また、本発明による角速度検出方法は、本発明の圧電振動型ヨーレートセンサを用いて実施される方法であり、すなわち、圧電振動型ヨーレートセンサにおける少なくとも一対の駆動腕にて生じたコリオリ力を、同少なくとも一対の検出腕にて検出することにより、角速度を検出するための方法であって、少なくとも一対の検出腕における検出感度スペクトルが、少なくとも一対の駆動腕と少なくとも一対の検出腕とが逆位相で振動する第１検出用振動モードにおける第１共振周波数をピーク周波数とする第１ピーク、及び、少なくとも一対の駆動腕と少なくとも一対の検出腕とが同位相で振動する第２検出用振動モードにおける第２共振周波数をピーク周波数とする第２ピークを有するように、且つ、上記検出感度スペクトルにおいては、第１共振周波数及び第２共振周波数のうちのいずれか小さい一方の共振周波数よりもΔｆ高い周波数での検出感度が、その一方の共振周波数よりもΔｆ低い周波数での検出感度よりも大きく、且つ、第１共振周波数及び第２共振周波数のうちのいずれか大きい他方の共振周波数よりもΔｆ低い周波数での検出感度が、その他方の共振周波数よりもΔｆ高い周波数での検出感度よりも大きくなるように、圧電振動型ヨーレートセンサを構成（形成）又は調整（調節）する。

この場合、駆動腕の駆動振動共振周波数を、第１検出用振動モードにおける第１共振周波数と第２検出用振動モードにおける第２共振周波数との間の周波数に設定することが好ましい。

なお、具体的には、駆動腕の共振周波数は、例えば、駆動腕及び／又は検出腕、およびその腕固定部の、材質、厚さ、幅、長さ、間隔といった形状パラメータを適宜調整することにより、上述した所望の周波数に設定することが可能である。

本発明の第１実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサの構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサの動作原理を示す模式図（正面図）である。 本発明の第１実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサのＨＳモードでの動作状態を示す模式図（上面図）である。 本発明の第１実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサのＨＣモードでの動作状態を示す模式図（上面図）である。 本発明の第１実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサにおいて、ＨＳモードとＨＣモードが近接する場合における、検出腕の動作状態を示す模式図（上面図）である。 本発明の第１実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサにおいて、ＨＳモードとＨＣモードが近接する場合における、検出感度スペクトルを示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサにおけるＨＳモード及びＨＣモードの共振周波数、並びに、駆動腕の駆動周波数との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサにおいて、駆動腕の共振周波数を、ＨＳモード及びＨＣモードのそれぞれの共振周波数の間の周波数に設定した場合における、駆動腕の動作状態を示す模式図（上面図）である。 本発明の第２実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサにおいて、ＨＳモードの共振周波数、ＨＣモードの共振周波数、及び駆動振動共振周波数の順に設定された場合の駆動腕のＸ―Ｚ変位を示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサにおいて、ＨＳモードの共振周波数、駆動振動共振周波数、及びＨＣモードの共振周波数の順に設定された場合の駆動腕のＸ―Ｚ変位を示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサにおいて、駆動振動共振周波数、ＨＳモードの共振周波数、及びＨＣモードの共振周波数の順に設定された場合の駆動腕のＸ―Ｚ変位を示すグラフである。 本発明の第３実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサにおいて、ＨＳモードの共振周波数及びＨＣモードの共振周波数と、素子厚さとの関係を示すグラフである。 従来のＨ型ヨーレートセンサ（素子）の構成を示す斜視図である。 従来のＨ型ヨーレートセンサ（素子）における検出感度スペクトルを示すグラフである。

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。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、上下左右等の位置関係は、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。

ここでは、まず、本発明の理解を容易にするために、従来のＨ型ヨーレートセンサについて説明する。図１３は、従来方式のＨ型ヨーレートセンサ素子１００を示す斜視図である。Ｈ型ヨーレートセンサ素子１００は、中央に位置する基部１１０と、基部１１０を挟んで所定の一方向（図１３では＋Ｙ方向）に延びる一対の駆動腕１０２，１０３、及び駆動腕１０２，１０３とは反対方向（図１３では−Ｙ方向）に延びる一対の検出腕１０４，１０５を備えるものである。このＨ型ヨーレートセンサ素子１００は、基部１１０の略中心部にてセンサパッケージ（図示ぜず）に固定され、そのセンサパッケージの内部空間に保持されるとともに、図示していない圧電素子に対して電気的な信号が入出力されるようになっている。

図１３において、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１００の保持方向は、検出対象となる回転の中心軸１０７の方向にＨ型ヨーレートセンサ素子１００の長手方向が合致するように選択されている。なお、基部１１０、駆動腕１０２，１０３、検出腕１０４，１０５から構成されるＨ型ヨーレートセンサ素子１００は、共通の材料（例えばシリコンや水晶）からなり、一般的なウェハ（シリコンウェハ等）のパターニング加工（ＭＥＭＳ加工）によって一体に又は一括で形成され得る。また、圧電素子としては、ＰＺＴ等の圧電材料から構成されたものが挙げられる。

一般に、圧電振動型ヨーレートセンサは、駆動腕を初期的に駆動（励振）させる駆動振動モード（図１３におけるＸ方向振動）と、その駆動振動の向きと直交し、検出腕にて角速度を検知する検出振動モード（図１３におけるＺ軸方向振動）とで動作する。更には、基部１１０を挟んで対向する振動腕（駆動腕及び検出腕）の対を備えるＨ型ヨーレートセンサ素子１００では、２本の検出腕１０４，１０５が互いにＺ方向へ逆位相で振動する検出振動モードが少なくとも２つ存在している（これら２つの検出振動モードの詳細は後述する）。

ここで、従来方式のＨ型ヨーレートセンサでは、コリオリ力の検出にあたって何れの振動モードを検出振動モードとして用いるかは任意に選択可能であった。しかしながら、異なる振動モードの共振周波数が近接することで、検出振動モードの振動形状が振動の検出に選択しなかった方の振動形状の干渉を受けてしまうことも懸念され、それら各振動モードの振動形状が合成されることで、理想的な検出振動形状が崩されると考えられていた。よって従来のＨ型ヨーレートセンサにおいては、複数の検出振動モード混在する場合、各モードの共振周波数同士が近接しないようなセンサ素子の設計がなされることが常であり、各振動検出モードの共振周波数が互いに近接するような設計を積極的に行うことはなかった。

図１４は、従来方式のＨ型センサの検出腕における検出振動の周波数Ｆ（Ｘ軸方向）と検出される振動の感度Ｓ(Ｙ軸方向)との関係を示す振動スペクトル（検出感度スペクトル）である。上述した如く、ここで用いられる振動スペクトルは、複数存在する振動モードのうち、何れかの検出振動モードが選択されたものである。図１４において、検出腕における検出振動の共振周波数の値をｆ_rとすると、このＨ型ヨーレートセンサの感度は、周波数ｆ_rにおいて感度Ｓ_MAXにて極大化していることがわかる。

コリオリ力の検出のために選択した検出振動モードの共振周波数に近い周波数にて駆動腕を駆動させると、駆動振動に対して駆動腕及び検出腕の双方が揺れやすい構成となり、より大きな検出信号を得ることが可能となってセンサ自体の感度が向上することが経験上確認されている。つまり、検出振動の共振周波数と、駆動振動の共振周波数を近接させ、更にそれらに近い周波数で駆動腕を起動させると、センサの感度が最大化すると考えて良い。ここで、図１４を参照すると、振動検出の感度を高く取ろうとして、振動腕の選択した検出振動モードにおける共振周波数ｆｒの近傍の周波数領域ＦＡ（図１４の振動スペクトルにおける山の頂上付近）に駆動振動の共振周波数を合わせる場合、当該周波数領域ＦＡにおける周波数変化に対する検出感度の変化が極めて急峻となってしまう。それに対し、感度の変化が緩やかな共振周波数ｆｒから離れた周波数領域ＦＢ又はＦＢ’（図１４の振動スペクトルにおける山の裾付近）に駆動振動の周波数を合わせる場合には、検出感度の変化は少ないものの、感度自体の値が低くなってしまう。

結果として、極めて小型の圧電振動型ヨーレートセンサであるＨ型ヨーレートセンサは、その組立精度を高く保つことが困難であり、検出感度を高く取ろうとして周波数領域ＦＡ内に駆動振動周波数（駆動腕の共振周波数）を収めることが困難であるばかりか、製造される各センサ間で駆動周波数の僅かなぶれが生じると、各センサ間での検出感度のばらつきが大きくなってしまうこととなり、センサの性能上好ましくない。また、各センサ間での感度のばらつきを抑えるために、感度の変化が緩やかな周波数領域ＦＢ内に駆動周波数（駆動腕の共振周波数）を設定することは、感度低下に繋がってしまうので、やはりセンサの性能上好ましくない。
＜第１実施形態＞

図１は、本発明によるＨ型ヨーレートセンサ素子１の構成の一例を示す斜視図である。このＨ型ヨーレートセンサ素子１（圧電振動デバイス）は、中央に位置する基部１０と、基部１０を挟んで一方（図１では＋Ｙ方向）に延びる一対の駆動腕２，３、及びその駆動腕とは反対側（図１では−Ｙ方向）に延びる一対の検出腕４，５を備えるものである。

本実施形態におけるＨ型ヨーレートセンサ素子１の基部１０は、駆動腕２，３、及び検出腕４，５が接続される方形の枠体１５の内側空間中央部に、センサパッケージ（図示せず）に対してＨ型ヨーレートセンサ素子１を接続するための接続島部１６を有しており、接続島部１６は枠体１５内側空間をＹ方向に平行に走る二本の橋部１７，１８、並びに橋部１７，１８の間に接続島部１６を保持するためにＸ方向に直列に走る補助橋部１９，２０を備えている。ここで、左側の橋部１７は、左駆動腕２及び左検出腕４の延在方向に概ね直列に設けられており、右側の橋部１８は、右駆動腕３及び右検出腕５の延在方向に概ね直列に設けられている。基部１０は、枠体１５の内側空間における上記接続構造を画定するために、切り抜き２１乃至２４によって肉抜きされている。

Ｈ型ヨーレートセンサ素子１は、基部１０の接続島部１６の中心部２５近辺にてセンサパッケージに対して固定されてパッケージ内部空間に保持されると共に、センサパッケージ内の集積回路（図示せず）に対してワイヤーボンディング等で電気的に接続され、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１の各駆動腕２，３に設けられた図示していない複数の圧電素子に駆動信号を送信すると共に、各検出腕４，５に設けられた複数の圧電素子から出力される検出信号を電気的に受信している。なお、基部１０、駆動腕２，３、検出腕４，５から構成されるＨ型ヨーレートセンサ素子１は、共通の材料（例えばシリコンや水晶）からなり、一般的なウェハ（シリコンウェハ等）のパターニング加工（ＭＥＭＳ加工）によって一体に又は一括で形成することが可能である。また圧電素子はＰＺＴ等の圧電材料（図示せず）から構成され得る。

本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１は、肉抜きされた基部１０を有し基部１０の内部空間に保持した接続島部１６のみを介してセンサパッケージへと接続されているので、コリオリの力により駆動腕２，３において生じたＺ方向の振動変位が検出腕４，５に伝搬する際に基部１０全体が捻れてしまうことを有効に防止することができる。基部１０の捻じれを防止することで、検出腕４，５の根元（検出腕４，５と枠体１５との接続部分）における変位をより大きく取ることが可能であるので、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１の検出感度を向上させることが出来る。また、橋部１７，１８は、接続島部１６を保持するだけでなく、駆動腕２，３と検出腕４，５とを各々ほぼ直列に接続しているので、枠体１５によって基部１０自体の剛性を担保しつつ、駆動腕２，３で生じたコリオリ力によるＺ方向変位を検出腕４，５に効率的に伝達することも可能としている。それに対して、補助橋部１９，２０は、接続島部１６を側方（橋部１７，１８の延在方向と直交する方向）から保持するので、接続島部１６に対してはコリオリ力によるＺ方向変位に起因する振動が伝搬しにくい。

次に、本実施形態におけるＨ型ヨーレートセンサ素子１の動作原理を説明する。本実施形態では、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１は、駆動腕２，３を上、検出腕４，５を下にして、立ち上がった姿勢で、検出対象となる回転の中心軸７の方向にＨ型ヨーレートセンサ素子１の長手方向が合致するように、センサパッケージ内に保持されている。基部１０における電気的接続を介して、駆動腕２，３に備えられた圧電体（図示せず）に対して駆動用の電圧が印加されると、圧電体の伸縮動作によって駆動腕２，３は駆動振動を生じる。具体的には、図１の±Ｘ方向で両駆動腕２，３が近接・離反を繰り返す振動運動が生じる。

駆動腕２，３が上述のように振動している状態で、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１の長手方向（Ｙ方向）の中心軸７周りに回転が生じると、コリオリ力の式：Ｆ＝２ｍｖΩで表される当該回転の角速度が、コリオリ力としてＨ型ヨーレートセンサ素子１に対して作用し、駆動腕２，３には、駆動振動の向き（Ｘ方向）及び回転の軸（Ｙ方向）の双方に直交するＺ方向のコリオリ力が発生する。コリオリ力は、回転角速度の大きさに比例したＺ方向の振幅（変位）として現れる。本実施形態のＨ型ヨーレートセンサ素子１は、上述のように検出腕４，５の共振周波数を駆動腕２，３の共振周波数（駆動周波数）に近くなるように設定しているので、駆動腕２，３に発生したＺ方向の振動は、検出腕４，５に向かって基部１０を伝搬し、検出腕４，５にて検出振動が生じる。次に、伝搬した検出腕４，５における振動変位を圧電素子が検出することにより、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１において生じた回転運動の角速度が検出されることとなる。

図２乃至４に示すのは、本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１の動作原理を説明するための簡略図であり、図２はＨ型ヨーレートセンサ素子１の模式的な正面図、図３及び図４はＨ型ヨーレートセンサ素子１が、第１の振動モード及び第２の振動モードで動作する様子を上方（＋Ｙ方向）から見下ろした模式的な上面図である。

上述したとおり、基部１０を挟んで対向する振動腕の対（駆動腕２，３及び検出腕４，５）を備えるＨ型ヨーレートセンサ素子１は、２本の検出腕４，５が互いにＺ方向へ逆位相の振動を行なう検出振動モードが少なくとも２つ存在している。それらは、２本の検出腕４，５が互いにＺ方向へ逆位相の振動を行なう検出振動モードとして、駆動腕２，３と検出腕４，５とがＺ方向へ逆位相に振動する振動モード（左右逆位相且つ上下逆位相の第１の振動モード：ＨＳモード）、及び駆動腕２，３と検出腕４，５とがＺ方向へ同位相に振動する振動モード（左右逆位相且つ上下同位相の第２振動モード：ＨＣモード）の２つに分けられる。そして、駆動腕２，３より基部１０を介して伝搬された検出振動は、検出腕４，５にて図３に示すＨＳモード及び図４に示すＨＣモードの双方で生じ得るが、本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１は、これら２つのモードの共振周波数の値が互いに近接するようにセンサを設計することを特徴とする。

図３及び図４に示すように、ＨＳモードとＨＣモードは、左右の駆動腕２，３がＺ方向に逆位相に振動するという相違点はあるが、検出腕４，５の動きにのみに着目すれば同一の動きをしている。ここで左右の駆動腕２，３の何れが＋の位置又は−の位置から振動を開始するか、すなわち位相に対する振動の方向は、駆動腕２，３の構造における非対称性等を素子設計に加味することにより容易に決定することができる。このことから、この二つのモードの共振周波数の値が隣接しても双方の振動形状は崩れることはなく、それ以上にお互いが干渉し合うことで振幅を増大させる（両モードにおける感度を合算することができる）。

図５はＨ型ヨーレートセンサ素子１を上方（＋Ｙ方向）から見下ろした上面図であり、ＨＳモードとＨＣモードが混在した場合の検出腕４，５の振幅量変化（感度変化）を模式的に示すものである。この場合、ＨＳモードとＨＣモードのいずれの振動検出モードにおいても検出腕４，５はＺ方向に対して左右各々の検出腕が同じ向きに振動を行なう。具体的には、ＨＳモードにおいて、左検出腕４が＋Ｚ方向から振動を始めたと仮定すれば、右検出腕５は−Ｚ方向から振動を始める。このときＨＣモードも同じ挙動を示し、左検出腕４が＋Ｚ方向から振動を始め、右検出腕５は−Ｚ方向から振動を始める。つまり、検出腕４，５はＺ方向の振動に対し互いに強め合う振動形態となり、より双方の振幅が合算された大きな振幅をするようになる。

よって、図５に示すように、ＨＳモードとＨＣモードが混在する場合には、左検出腕４では、ＨＳモード単体であれば到達したであろう振幅位置Ｐ₄’から、更に＋Ｚ方向に合算された振幅位置Ｐ₄へと振幅が増加することとなる。右検出腕５も同様に、ＨＳモード単体であれば到達したであろう振幅位置Ｐ₅’から、更に−Ｚ方向に合算された振幅位置Ｐ₅へと振幅が増加することとなる。つまり、ＨＳモードとＨＣモードとが混合された場合、検出腕４，５はＺ方向の振動について互いに振動を強め合う振動形態となり、結果として、検出腕４，５における振幅が増加することで、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１の感度が向上される。

図６は、本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１における検出腕４，５の各振動モードでの検出振動の周波数Ｆ（Ｘ軸方向）と検出される感度Ｓ(Ｙ軸方向)との関係を示す振動スペクトルである。図６に示された検出振動モードはＨＳモード及びＨＣモードの２つであり、これら各モードの検出感度スペクトルは各々実線で示されている。本実施形態では、ＨＳモードの共振周波数ｆ_rsがＨＣモードの共振周波数ｆ_rcよりも低周波数側にあるが、この関係は逆でも良い。また、同様にＨＳモードの感度がＨＣモードの感度よりも総じて高くなっているが、この関係も逆となる場合がある。また、図６において破線で示されるのは、ＨＳモードとＨＣモードが合成された状態での検出腕４，５の合算検出感度スペクトルである。

本実施形態では、ＨＳモードの共振周波数ｆ_rsとＨＣモードの共振周波数ｆ_rcとが、両モードの混在を避ける従来のＨ型ヨーレートセンサの場合と比較してより近接している。この共振周波数の近接の程度は、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１の材質や厚さ等の任意のパラメータで決定される各モードの検出感度スペクトルの外形にもよるが、各モードの検出感度が優位に合算できることを要件とし、検出感度が低い各モードのスペクトルの山の裾部分で両モードが重なる場合は除外される。具体的には、本実施形態において、周波数帯が低い方の山であるＨＳモードのピーク周波数に相当する共振周波数ｆ_rsから任意の周波数ｆだけ高周波数側にシフトした周波数ｆ_rs＋ｆにおける合算検出感度Ｓ₁が、周波数ｆだけ低周波側にシフトした周波数ｆ_rs−ｆにおける合算検出感度Ｓ₂と比較して大きく、周波数帯が高い方の山であるＨＣモードのピーク周波数に相当する共振周波数ｆ_rcから周波数ｆだけ低周波数側にシフトした周波数ｆ_rc−ｆにおける合算検出感度Ｓ₃が、周波数ｆだけ高周波側にシフトした周波数ｆ_rc＋ｆにおける合算検出感度Ｓ₄と比較して大きくなる程度に両モードのスペクトルが重なることが好ましい。このように共振周波数のピークを近接させて両モードの振動スペクトルを重ねることで、感度の合算効果をより高めることができる。

図６に示すように、両モードの検出感度スペクトルの感度合算効果は、各々のモードにおける共振周波数に近い周波数領域ほど高くなっている。よって、本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１においては、駆動腕２，３の共振周波数が、ＨＳモード又はＨＣモードのいずれか一方の共振周波数にのみ近接するだけでも、上述した感度合算効果を得ることができる。なお、各モードの共振周波数等は、センサ素子の材料、厚さ、基部の形状、振動腕の形状等の諸条件を微調整すること設定可能である。
＜第２実施形態＞

本実施形態では、感度を高めつつノイズ低減も実現される高Ｓ／Ｎ比のＨ型ヨーレートセンサについて詳述する。なお、第１実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１と、本実施形態にかかるヨーレートセンサとは必ずしも明確な外観上の差異を有するものではなく、センサ素子の材料、厚さ、基部の形状、振動腕の形状等の諸条件を微調整することで、駆動モードの振動周波数を二つの検出モードの共振周波数の間に設定することができる。図７は、横軸に周波数をとり、本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１の駆動周波数と、ＨＳモード及びＨＣモードの各々のモード共振周波数との関係が示す図である。なお、本実施形態においても、ＨＳモードの共振周波数がＨＣモードの共振周波数より低くされているが、上述したセンサ素子の構成における諸条件に応じて、ＨＳモードがＨＣモードより高い周波数である場合であっても同様の効果が得られる。

図７では、ＨＳモードの共振周波数より低い周波数領域をＦＬ領域、ＨＳモードの共振周波数とＨＣモードの共振周波数との間の領域をＦＭ領域、ＨＣモードの共振周波数よりも高い領域をＦＵ領域とする。

ここで、駆動腕２，３の挙動について考察すると、ＦＬ領域では、左右の駆動腕２，３は左右の検出腕４，５とは逆の方向に変位する、つまり左検出腕４が＋Ｚ方向に変位するとき、左駆動腕２は−Ｚ方向に変位し、右検出腕５が−Ｚ方向に変位するとき、右駆動腕３は＋Ｚ方向に変位するというＨＳモードでの駆動腕の挙動が主に支配的である（図３参照）。これに対して、ＦＵ領域では、左右の駆動腕２，３は左右の検出腕４，５と同じ方向に変位する、つまり左検出腕４が＋Ｚ方向に変位するとき、左駆動腕２も＋Ｚ方向に変位し、右検出腕５が−Ｚ方向に変位するとき、右駆動腕３も−Ｚ方向に変位するというＨＣモードでの駆動腕の挙動が主に支配的である（図４参照）。

これに対して、ＦＭ領域では、ＨＳモードとＨＣモードの挙動が互いに干渉しあっている。具体的には、ＦＭ領域において、駆動周波数を低周波数領域（ＦＬ領域）側から高周波数領域（ＦＵ領域）側へと変化させるに連れて、駆動腕２，３はＨＳモードにおける振幅方向とは逆向きに振動しようとするため、ＨＳモードにおける振動は徐々に打ち消される、すなわち減算されて結果としてＨＳモードでの駆動腕２，３の振幅は減少する。つまり、ＦＬ領域側で支配的だったＨＳモードでの駆動腕２，３の挙動は徐々に弱まり、逆にＨＣモードでの駆動腕２，３の挙動が顕在化して、両モードの挙動が混在するようになる。駆動周波数が、ＦＭ領域の中央部分、ＨＳモードの振動スペクトルとＨＣモードの振動スペクトルの交差する周波数ｆ_X（図６参照）にまで到達すると、両モードの挙動はほぼ均等に合成される。そして交差周波数ｆ_Xを超えると、駆動腕２，３はＨＣモードでの挙動が支配的なＨＳモードとの混合状態となり、ＦＵ領域へと高周波側に変化するに連れて最終的にはＨＣモードでの挙動が支配的になる。

図８は本実施形態におけるＨ型ヨーレートセンサ素子１を上方（＋Ｙ方向）から見下ろした上面図であり、各駆動腕２，３における振動の合成効果が模式的に表されている。ＨＳモードとＨＣモードが混在し、さらに駆動周波数をＨＳモードの共振周波数とＨＣモードの共振周波数との間に設定した場合、すなわち図７の周波数領域ＦＭにおける、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１の駆動腕２，３の振幅量変化（感度変化）を示すものである。本実施形態でも、第１実施形態と同様に、ＨＳモードの共振周波数とＨＣモードの共振周波数とが適切な周波数間隔に近づけられている。

ＨＳモードの振動とＨＣモードの振動とが混在する状態では、双方の駆動腕に生じるＺ方向の振動変位は逆方向である。このため、たとえばＨＳモードが駆動腕を支配する成分では、左駆動腕２が＋Ｚ方向に変位しようとすると、ＨＣモードが駆動腕を支配する成分で左駆動腕２が−Ｚ方向に変位する挙動が加味されて、ＨＳモード単体であれば到達したであろう振幅位置Ｐ₂’から、−Ｚ方向に呼び戻された振幅位置Ｐ₂へと左駆動腕２の振幅が減少する。右駆動腕３も同様に、たとえばＨＳモードが駆動腕を支配する成分では、右駆動腕３が−Ｚ方向に変位しようとすると、ＨＣモードが駆動腕を支配する成分で右駆動腕３が＋Ｚ方向に変位する挙動が加味されて、ＨＳモード単体であれば到達したであろう振幅位置Ｐ₃’から、＋Ｚ方向に呼び戻された振幅位置Ｐ₃へと右駆動腕３の振幅が減少することとなる。つまり、ＨＳモードとＨＣモードとが混合する場合には、駆動腕２，３はＺ方向の振動に対し互いに振動を打ち消しあう振動形態となってしまい、結果として、駆動腕における振幅が減少するようになる。

次に本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１の駆動腕２，３の挙動について、更に有限要素法による振動解析を行った結果を図９乃至１１に示す。図９乃至１１では、駆動腕２，３のＸ方向（駆動方向）の変位量（振幅量）を横軸に、Ｚ方向（振動検知方向）の変位量（振幅量）を縦軸に、左右両方（Ｄｒｖ−Ｌ及びＤｒｖ−Ｒ）の駆動腕２，３についてプロットしている。なお、本解析では、左右の駆動腕の構造に非対称性を含めることで、無回転時であってもＺ方向の変位が生じる、すなわちもれ振動が生起するようにして解析を行った。

図９は、駆動周波数がＦＵ領域に存在する場合（低い周波数から順にＨＳモード、ＨＣモード、ＨＣモードよりたとえば約３％高い駆動周波数となる場合）であり、図１０は駆動周波数がＦＭ領域に存在する場合（低い周波数から順にＨＳモード、駆動周波数、ＨＣモードとなる場合）であり、図１１は、駆動周波数がＦＬ領域に存在する場合（低い周波数から順にＨＳモードよりたとえば約３％低い駆動周波数、ＨＳモード、ＨＣモードとなる場合）の結果である。

図９乃至１１を比較すると、図９及び図１１の場合と比較して、図１０に示す駆動周波数がＦＭ領域に存在する場合に特に、Ｚ方向（振動検知方向）の変位量すなわち振幅が約１／３と大幅に減少しているのが判る。このことから、ＨＳモードとＨＣモード間に駆動周波数を設定すると、外部から回転が印加されていない状態で、駆動腕におけるいわゆるもれ振動と呼ばれる不要なノイズが検出腕を振動させてしまうことを有意に防止することができること、すなわちＨ型ヨーレートセンサ素子１におけるノイズ除去効果が確認された。

また、第１実施形態で詳述したとおり、ＨＳモード及びＨＣモードの共振周波数を近接させると、検出腕４，５の振幅が互いに増幅しあってコリオリ力に対する感度が向上することが見込まれる。よって本実施形態は、第１実施形態の感度向上効果が増大することに加えて、２つの振動モードの共振周波数間の周波数でセンサを駆動させることで、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１に対してノイズ除去効果をもたらすものであり、両効果が相まって、Ｈ型ヨーレートセンサ素子１のＳ／Ｎ比を飛躍的に向上させることができる。

更に、本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１は、駆動腕２，３にて、ＨＳモードとＨＣモードの挙動が互いに釣り合った状態で混合されているので、振動に対してセンシティブになっており、センサユニットの回転によってコリオリ力を生じた際、瞬間的にこの釣り合い状態が崩れるためにより大きな推進力によって振動を生じ得る。このことによっても、結果として更なる感度向上が見込まれ、先に述べた低ノイズ化と相まって、高いＳ／Ｎ比を有する高性能なヨーレートセンサを得ることができる。

とりわけ、駆動周波数が、図６におけるＨＳモードの検出感度スペクトルとＨＣモードの検出感度スペクトルの交差する周波数ｆ_Xにあるときが、双方のモードにおける振幅の合成に起因する駆動腕のノイズ除去効果が最大に高まる上に、ＨＳモードとＨＣモードの挙動が最も釣り合った状態であると考えられ、本実施形態にかかるＨ型ヨーレートセンサ素子１の性能を最も高く維持し得る。さらに、図６を参照すると判るように、駆動周波数として、ｆｘを選択した場合には、組み立て精度の問題で駆動腕の共振周波数が多少ぶれたとしても、合計検出感度スペクトルにおける感度の変化は緩やかであり、且つ感度が落ちるどころか高くシフトする。よって、本実施形態のごとく駆動周波数をＨＳモードとＨＣモードとの間に設定することによって、Ｈ型ヨーレートセンサの製造における個体間の性能のばらつきを抑えることも可能となる。

なお、本実施形態における各共振周波数間の間隔は、たとえば厚さバラツキに対する感度の安定性を望む場合等は、腕の間隔を調整することにより、所望の値とすることができる。
＜第三実施形態＞

本実施形態において、第１実施形態及び第２実施形態に示したＨ型ヨーレートセンサ素子１の設計指針を示す。

第１実施形態及び第２実施形態に示したＨ型ヨーレートセンサでは、ＨＳモード及びＨＣモードの何れにおいても、検出腕の動きがＺ方向（振動子の厚さ方向）の振動となるので、Ｈ型ヨーレートセンサ素子の厚さを調整することで、各モードにおける検出腕の共振周波数を設定することが可能である。図１２に示すのは、Ｈ型ヨーレートセンサ素子の厚さ（横軸）に対する、ＨＳモードとＨＣモードにおける共振周波数の変化（縦軸）の割合を示す一例である。ここに示すようにＨＳモードとＨＣモードとでは、素子厚に対する共振周波数の変動割合が異なっている。よって、この変動量の差異を勘案して、所望とするＨＳモードの共振周波数とＨＣモードの共振周波数の組み合わせを定義することができる。

図１２に示した素子厚に対する検出腕の共振周波数の変動割合は、各振動腕の幅・長さ等のデザインや、各振動腕の配置間隔、振動腕が接続される基部における抜き形状、及び素子自体の材質等のパラメータによっても変化する。よって、これらの追加的なパラメータと、素子厚とを組み合わせて、検出腕のＨＳモードの共振周波数とＨＣモードの共振周波数の所望とする組み合わせを定義することもできる。

一方、駆動腕の駆動振動共振周波数は、駆動腕の駆動方向がＸ方向（振動子の幅方向）の振動となるので、Ｈ型ヨーレートセンサ素子における駆動腕の幅を調整することで、設定可能である。例えば、駆動腕の幅を大きくすると、駆動腕のＸ方向（幅方向）の振動駆動が規制されるので、駆動の共振周波数は高くなる傾向にある。

素子幅に対する駆動腕の共振周波数の変動割合は、素子の厚さ、各振動腕長さ等のデザインや、各振動腕の配置間隔、振動腕が接続される基部における抜き形状、及び腕固定部を含む素子の材質、厚さ、幅、長さ等のパラメータによっても変化する。よって、これらの追加的なパラメータと、素子幅とを組み合わせて、駆動腕の共振周波数を所望の値に設定することもできる。

また、上記各実施形態における振動腕の形状は、一様な幅、厚さで構成されているが、例えば振動腕の先端のみが幅広にしたり、振動腕の長さ方向の一部の厚さに変化を加えたりしても、所望とする共振周波数の組み合わせを定義し得る。更には、各振動腕の形状を非対称にしたり、厚さ方向に変化を加える（断面積が台形や平行四辺形等の形状となるようにする）ことで、所望とする共振周波数の組み合わせを定義することもできる。以上のような追加的なパラメータを微調整することによって、安定したヨーレートセンサの製造が可能となる。

なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、先に適宜述べたとおり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更（例えば、各実施形態の内容の適宜な組み合わせ等）が可能である。

１，１００…ヨーレートセンサ（圧電振動デバイス）、２，３，１０２，１０３…駆動腕、４，５，１０４，１０５…検出腕、７，１０７…中心軸、１０，１１０…基部、１５…枠体、１６…接続島部、１７，１８…橋部、１９，２０…補助橋部、２１，２２，２３，２４…切り抜き、ｆ，Ｆ…周波数、Ｐ…振幅位置、Ｓ…感度。

Claims (6)

1. 中央に位置する基部と、前記基部を挟んで一方に延びる一対の駆動腕及び前記一対の駆動腕とは反対側に延びる一対の検出腕とを備えており、前記一対の駆動腕にて生じたコリオリ力を前記一対の検出腕にて検出する圧電振動型ヨーレートセンサであって、
   前記一対の検出腕における検出感度スペクトルは、前記一対の検出腕同士が逆の方向に変位するとともに、前記一対の駆動腕と前記一対の検出腕のうち、前記基部を挟んで対向する駆動腕と検出腕とが、駆動振動の向きと直交し、且つ、前記一対の駆動腕の延在方向と直交する向きに逆位相で振動する第１検出用振動モードにおける第１共振周波数をピーク周波数とする第１ピーク、及び、前記一対の検出腕同士が逆の方向に変位するとともに、前記一対の駆動腕と前記一対の検出腕のうち、前記基部を挟んで対向する駆動腕と検出腕とが、駆動振動の向きと直交し、且つ、前記一対の駆動腕の延在方向と直交する向きに同位相で振動する第２検出用振動モードにおける第２共振周波数をピーク周波数とする第２ピークを有しており、
   前記検出感度スペクトルにおいては、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数のうちのいずれか小さい一方の共振周波数よりもΔｆ高い周波数での検出感度が、前記一方の共振周波数よりもΔｆ低い周波数での検出感度よりも大きく、且つ、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数のうちのいずれか大きい他方の共振周波数よりもΔｆ低い周波数での検出感度が、前記他方の共振周波数よりもΔｆ高い周波数での検出感度よりも大きい、
   圧電振動型ヨーレートセンサ。
2. 前記検出感度スペクトルは、前記第１検出用振動モードでの検出感度スペクトルと、前記第２検出用振動モードでの検出感度スペクトルとが、合算されたものである、
   請求項１に記載の圧電振動型ヨーレートセンサ。
3. 前記駆動腕の駆動振動共振周波数が、前記第１検出用振動モードにおける第１共振周波数と前記第２検出用振動モードにおける第２共振周波数との間の周波数に設定された、
   請求項１又は２に記載の圧電振動型ヨーレートセンサ。
4. 前記基部は、
   前記一対の駆動腕、及び、前記一対の検出腕が接続される枠体と、
   前記枠体の内部に形成された接続島部と、
   前記一対の駆動腕及び前記一対の検出腕の延在方向と平行な方向に延在し、且つ、前記枠体に跨設された複数の橋部と、
   前記接続島部と前記複数の橋部を連結する複数の補助橋部と、
   を有する、
   請求項１乃至３の何れかに記載の圧電振動型ヨーレートセンサ。
5. 中央に位置する基部と、前記基部を挟んで一方に延びる一対の駆動腕及び前記一対の駆動腕とは反対側に延びる一対の検出腕とを備えた圧電振動型ヨーレートセンサにおける前記一対の駆動腕にて生じたコリオリ力を、前記圧電振動型ヨーレートセンサにおける前記一対の検出腕にて検出することにより、前記圧電振動型ヨーレートセンサの角速度を検出する方法であって、
   前記一対の検出腕における検出感度スペクトルが、前記一対の検出腕同士が逆の方向に変位するとともに、前記一対の駆動腕と前記一対の検出腕のうち、前記基部を挟んで対向する駆動腕と検出腕とが、駆動振動の向きと直交し、且つ、前記一対の駆動腕の延在方向と直交する向きに逆位相で振動する第１検出用振動モードにおける第１共振周波数をピーク周波数とする第１ピーク、及び、前記一対の検出腕同士が逆の方向に変位するとともに、前記一対の駆動腕と前記一対の検出腕のうち、前記基部を挟んで対向する駆動腕と検出腕とが、駆動振動の向きと直交し、且つ、前記一対の駆動腕の延在方向と直交する向きに同位相で振動する第２検出用振動モードにおける第２共振周波数をピーク周波数とする第２ピークを有するように、且つ、前記検出感度スペクトルにおいては、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数のうちのいずれか小さい一方の共振周波数よりもΔｆ高い周波数での検出感度が、前記一方の共振周波数よりもΔｆ低い周波数での検出感度よりも大きく、且つ、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数のうちのいずれか大きい他方の共振周波数よりもΔｆ低い周波数での検出感度が、前記他方の共振周波数よりもΔｆ高い周波数での検出感度よりも大きくなるように、前記圧電振動型ヨーレートセンサを構成又は調整する、
   角速度検出方法。
6. 前記駆動腕の駆動振動共振周波数を、前記第１検出用振動モードにおける第１共振周波数と前記第２検出用振動モードにおける第２共振周波数との間の周波数に設定する、
   請求項５に記載の角速度検出方法。

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