JP6031682B2

JP6031682B2 - 角速度センサとそれに用いられる検出素子

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Publication number: JP6031682B2
Application number: JP2013545780A
Authority: JP
Inventors: 賢作山本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: JPWO2013076942A1; EP2784443A4; US9400180B2; US20140283602A1; EP2784443A1; WO2013076942A1; EP2784443B1

Description

本発明は、携帯端末や車両等に用いられる角速度センサとそれに用いられる検出素子に関する。

従来の角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。図１４は従来の角速度センサに用いられる検出素子の斜視図である。検出素子１は、一対の固定部１６と、横梁３と、４つのアーム４、５、６、７と、錘８、１７、１０、１１とを有する。横梁３は固定部１６の間に接続されている。アーム４、５、６、７のそれぞれの一端は横梁３に接続され、他端に錘８、１７、１０、１１が形成されている。また、アーム４に駆動部１２が形成され、アーム５にモニタ部１３が形成され、アーム６、７に検出部１４、１５が形成されている。

この構成において、駆動部１２に交流電圧を印加するとアーム４がＸ軸方向に振動する。この振動に共振してアーム５、６、７もＸ軸方向に振動する。モニタ部１３はアーム５のＸ軸方向の変位を検出する。検出部１４、１５はそれぞれ、検出素子１に角速度が印加された際のコリオリ力に起因してアーム６、７に発生するＹ軸方向の変位を出力する。検出素子１は、検出部１４、１５の出力に基づいてＺ軸回りの角速度を検出する（例えば、特許文献１）。

特開２００８−４６０５６号公報

本発明は、外部から伝達する応力の伝達を抑制し、検出素子の検出感度の変動を抑制することを目的とする。

本発明の検出素子は、第１、第２固定部と、第１、第２縦梁と、横梁と、４つのアームとを有する。第１、第２縦梁の第１端は第１固定部に接続され、第２端は第２固定部に接続されている。横梁の第１端は第１縦梁の中央部に接続され、第２端は第２縦梁の中央部に接続されている。アームの第１端はそれぞれ、横梁に接続され、第２端には錘が形成されている。各アームには駆動部が設けられている。第１、第２縦梁上には、角速度に応じた信号を出力する第１〜第４検出部が設けられている。第１縦梁は、中央部よりも第１固定部寄りに形成された第１スリットと、中央部よりも第２固定部寄りに形成された第２スリットと、第１、第２スリットの間の連結部とを有し、第２縦梁は、中央部よりも第１固定部寄りに形成された第３スリットと、中央部よりも第２固定部寄りに形成された第４スリットと、第３、第４スリットの間の連結部とを有する。

この構成により、外部から伝達される応力が固定部を介して横梁やアーム、錘に伝達することを抑制することができる。そのため、検出素子の検出感度の変動を抑制することができる。

図１は本発明の実施の形態１における角速度センサ用検出素子の上面斜視図である。図２は図１に示す線２−２における断面図である。図３は図１に示す角速度センサ用検出素子の上面図である。図４は本発明の実施の形態における角速度センサのブロック図である。図５は本発明の実施の形態２における角速度センサ用検出素子の上面図である。図６は本発明の実施の形態３における角速度センサ用検出素子の上面図である。図７は実施の形態４における検出素子の斜視図である。図８は図７に示す検出素子の電極配置を示す上面図である。図９は図８における線９−９の断面図である。図１０は図７に示す検出素子における駆動振動周波数と検出振動周波数の関係を示す図である。図１１は実施の形態５における検出素子の上面図である。図１２Ａは図１１に示す検出素子の部分側面図である。図１２Ｂは図１１に示す検出素子の部分斜視図である。図１３は実施の形態４、５における検出素子の撓み量を示す図である。図１４は従来の角速度センサ用検出素子の斜視図である。

本発明の実施の形態に先立ち、従来の角速度センサの問題点を説明する。近年、複数の軸回りの角速度を検出する多軸対応の角速度センサが求められている。検出素子１ではアーム６、７に検出部１４、１５が形成されている。さらに横梁３に検出部を設けると、Ｙ軸回りの角速度を検出することが出来る。しかしながら、横梁３の上面には駆動部１２等と固定部１６上の電極パッドとを接続する配線が形成されている。そのため、横梁３に検出部を設けても電極面積を大きくすることが出来ず、Ｙ軸回りの角速度の検出感度を大きくすることができない。また、検出素子１においては、固定部１６をユーザー基板に実装した際の応力や、ユーザー基板から伝達される応力が固定部１６を介して横梁３やアーム４、５、６、７に伝達する。この外部から伝達される応力により、横梁３とアーム４、５、６、７と錘８、９、１０、１１とから構成される振動子の共振周波数が変動する。そのため、検出素子１の検出感度が変動する。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１による検出素子２０およびそれを用いた角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態における検出素子２０の上面斜視図である。図２は図１に示す線２−２における断面図である。図３は検出素子２０の上面図である。

検出素子２０は、固定部２１、２２と、縦梁２３、２４と、横梁２５と、４つのアーム２６、２７、２８、２９と、錘３０、３１、３２、３３とを有する。縦梁２３、２４の第１端は固定部２１に接続され、第２端は固定部２２に接続されている。横梁２５の第１端は縦梁２３の中央部に接続され、第２端は縦梁２４の中央部に接続されている。アーム２６、２７、２８、２９のそれぞれの第１端は横梁２５に接続され、第２端にはそれぞれ錘３０、３１、３２、３３が形成されている。

アーム２６の第１端は、横梁２５の中央部２５ＰよりもＸ軸の正側に接続され、Ｙ軸の正方向に延出している。アーム２７の第１端は、横梁２５の中央部２５ＰよりもＸ軸の正側に接続され、Ｙ軸の負方向に延出している。すなわち、アーム２６とアーム２７とは、横梁２５から互いに反対方向に延出している。

アーム２８の第１端は、横梁２５の中央部２５ＰよりもＸ軸の負側に接続され、Ｙ軸の正方向に延出している。アーム２９の第１端は、横梁２５の中央部２５ＰよりもＸ軸の負側に接続され、Ｙ軸の負方向に延出している。すなわち、アーム２８とアーム２９とは、横梁２５から互いに反対方向に延出している。

アーム２６〜２９にはそれぞれ、モニタ部４０、駆動部４１、４２、Ｚ軸回りの角速度を検出する検出部４３、４４が形成されている。固定部２１、２２には複数の電極パッド４８が設けられ、縦梁２３、２４を通るように形成された配線４７によりモニタ部４０、駆動部４１、４２、検出部４３、４４とそれぞれ電気的に接続されている。なお、電極パッド４８とモニタ部４０との間の配線の一部は図示を省略している。同様に、電極パッド４８と検出部４３、４４との間の配線の一部も図示を省略している。

横梁２５の上面（Ｚ軸に垂直な面）には、Ｙ軸回りの角速度を検出する検出部４５、４６が形成されている。検出部４５は、アーム２６、２７が接続される部分と中央部２５Ｐとの間に設けられている。検出部４６は、アーム２８、２９が接続される部分と中央部２５Ｐとの間に設けられている。

以上のように、アーム２６、２７の第１端は、横梁２５が縦梁２３に接続される外端部付近に接続されている。以下、この部分を第１アーム接続部２５Ａと称する。またアーム２８、２９の第１端は、横梁２５が縦梁２４に接続される外端部付近に接続されている。以下、この部分を第２アーム接続部２５Ｂと称する。このような構造のため、第１アーム接続部２５Ａと第２アーム接続部２５Ｂとの間には配線４７が形成されていない。したがって、配線４７の影響を受けずに検出部４５、４６を形成することができる。

以下、検出素子２０の詳細な構造及び検出素子２０を用いた角速度検出方法について説明する。図１に示すように、アーム２６は屈曲部２６Ａ、２６Ｂを有し、横梁２５と屈曲部２６Ａとを結ぶ直線部と、屈曲部２６Ａと屈曲部２６Ｂとを結ぶ直線部と、屈曲部２６Ｂと錘３０とを結ぶ直線部とを有している。錘３０は、横梁２５と対向するように設けられている。モニタ部４０は、横梁２５と屈曲部２６Ａとを結ぶ直線部に形成されている。駆動部４１、４２は横梁２５と屈曲部２６Ａとを結ぶ直線部の中間部分の、モニタ部４０よりも屈曲部２６Ａ寄りの位置から、屈曲部２６Ａを経由して、屈曲部２６Ａと屈曲部２６Ｂとを結ぶ直線部の中間部分まで形成されている。

検出部４３、４４は、屈曲部２６Ａと屈曲部２６Ｂとを結ぶ直線部の中間部分の、駆動部４１、４２よりも屈曲部２６Ｂ寄りの位置から、屈曲部２６Ｂを経由して、屈曲部２６Ｂと錘３０とを結ぶ直線部まで形成されている。他のアーム２７、２８、２９にも同様に、モニタ部、駆動部、検出部が形成されている。

検出部４５は、横梁２５上であって、第１アーム接続部２５Ａと中央部２５Ｐとの間に設けられている。検出部４６は、横梁２５の上であって、第２アーム接続部２５Ｂと中央部２５Ｐとの間に設けられている。

図２に示すように、シリコン基板５０の上に下部電極５１が形成され、その上に圧電薄膜５２が形成され、更にその上に上部電極５３、５４が形成されている。下部電極５１、圧電薄膜５２および上部電極５３は駆動部４１を構成し、下部電極５１、圧電薄膜５２および上部電極５４は駆動部４２を構成している。同様に、モニタ部４０、検出部４３、４４、４５、４６も下部電極と圧電薄膜と上部電極の組み合わせにより構成されている。

図４は本発明の実施の形態における角速度センサのブロック図である。検出回路９１と、角速度を検出する検出素子２０とは、角速度センサを構成している。なお角速度センサは駆動回路９０を含んでもよい。検出回路９１は検出素子２０から出力された信号を受けて処理する。検出回路９１で処理された信号は、外部回路９２へ出力される。駆動回路９０は検出素子２０に交流電圧を供給する。検出素子２０は、駆動回路９０から駆動部４１、４２に逆位相の駆動電圧が印加されることで、ＸＹ平面内で駆動方向Ｄに沿って駆動振動する。

Ｚ軸周りの角速度が印加されると、コリオリ力により錘３０〜３３およびアーム２６〜２９が検出方向Ｓに沿って撓む。アーム２６〜２９の検出方向Ｓに沿った撓みにより検出部４３、４４に逆位相の電荷が発生する。検出回路９１は、検出部４３、４４に発生する電荷の差分を検出することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出することができる。

Ｙ軸周りの角速度が印加されると、コリオリ力により横梁２５がＺ軸方向に撓む。検出部４５と４６には逆位相の電荷が発生する。検出回路９１は、検出部４５、４６に発生する電荷の差分を検出することにより、Ｙ軸周りの角速度を検出することができる。以上のような動作原理は例えば、国際公開２０１０／０７３５７６号に開示されている。

検出部４５、４６の面積が大きいほど、横梁２５のＺ方向の歪に応じて発生する電荷量が大きくなる。そのため、Ｙ軸周りの角速度の検出感度を向上させることが出来る。検出素子２０では、横梁２５の外端部にアーム２６〜２９が接続され、第１アーム接続部２５Ａと中央部２５Ｐとの間、第２アーム接続部２５Ｂと中央部２５Ｐとの間には配線が形成されない。したがって、検出部４５、４６の面積を大きくすることができ、Ｙ軸周りの角速度の検出感度を向上させることが出来る。

なお、検出素子２０は、固定部２１の下面に塗布された接着剤によりパッケージ（図示せず）又は半導体チップ（図示せず）に接着される。電極パッド４８はボンディングワイヤ等で半導体チップと電気的に接続され、パッケージの下部に設けられた電極から角速度検出信号が出力される。

次に、図３を参照しながら検出部４５、４６の好ましい配置について説明する。なお、図３において配線は省略している。

横梁２５における第１アーム接続部２５Ａと中央部２５Ｐとの中心部を２５Ｃとすると、検出部４５の中心部は中心部２５Ｃよりも第１アーム接続部２５Ａ寄りに形成するのが好ましい。同様に、第２アーム接続部２５Ｂと中央部２５Ｐとの中心部を２５Ｄとすると、検出部４６の中心部は中心部２５Ｄよりも第２アーム接続部２５Ｂ寄りに形成するのが好ましい。以下にその理由を説明する。

Ｙ軸回りに角速度が加わった場合、アーム２６、２７及び錘３０、３１には、駆動振動に同期したＺ軸方向のコリオリ力が発生する。アーム２８、２９及び錘３２、３３には、これと逆位相のＺ軸方向のコリオリ力が発生する。したがって、第１アーム接続部２５Ａ及び第２アーム接続部２５ＢにはＺ軸方向に逆位相の力が発生する。横梁２５の両端は縦梁２３、２４で支持されているため、中央部２５Ｐが節となり、第１アーム接続部２５Ａ及び第２アーム接続部２５Ｂの近傍が腹となってＺ軸方向に振動する。このため、振動の腹に近い位置に検出部４５、４６を形成することにより、Ｙ軸回りの角速度に起因する横梁２５の歪を効率良く検出することができる。

なお、検出素子２０では、シリコン基板の上に下部電極、圧電薄膜および上部電極を形成しているが、基板材料としては、シリコンに代えて、ダイヤモンド、溶融石英、アルミナ又はＧａＡｓ等の非圧電材料を用いて形成しても良い。また、水晶、ＬｉＴａＯ_３又はＬｉＮｂＯ_３等の圧電材料を用いて形成しても良い。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２における検出素子６０の上面図である。以下、実施の形態１と同様の構成をなすものには同じ符号を付し、詳細な説明を省略することがある。

検出素子６０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸回りの角速度を検出することができる。すなわち、検出素子６０では実施の形態１の検出素子２０と同様に、アーム２６〜２９にそれぞれ、モニタ部４０、駆動部４１、４２、Ｚ軸回りの角速度を検出する検出部４３、４４が形成されている。また横梁２５の上面（Ｚ軸に垂直な面）には、Ｙ軸回りの角速度を検出する検出部４５、４６が形成されている。さらに、縦梁２３、２４には、Ｘ軸回りの角速度を検出する検出部６７〜７０が形成されている。

縦梁２３には、縦梁２３の中央より固定部２１側に形成されたスリット６１と、縦梁２３の中央より固定部２２側に形成されたスリット６２と、スリット６１とスリット６２の間の連結部６３とが設けられている。また、縦梁２４には、縦梁２４の中央より固定部２１側に形成されたスリット６４と、縦梁２４の中央より固定部２２側に形成されたスリット６５と、スリット６４とスリット６５の間の連結部６６とが設けられている。

上述のように、縦梁２３、２４には、Ｘ軸回りの角速度を検出する検出部６７〜７０が形成されている。すなわち、固定部２１、２２および縦梁２３、２４で囲まれる領域を中空領域Ｒとすると、縦梁２３において、スリット６１と中空領域Ｒとの間に検出部６７が形成され、スリット６２と中空領域Ｒとの間に検出部６８が形成されている。また、縦梁２４において、スリット６４と中空領域Ｒとの間に検出部６９が形成され、スリット６５と中空領域Ｒとの間に検出部７０が形成されている。

この構成において、Ｘ軸回りの角速度が印加されると、コリオリ力により縦梁２３、２４がＺ軸方向に撓む。検出部６７、６９には同位相の電荷が発生し、検出部６８と７０にはこれと逆位相の電荷が発生する。図４に示す検出回路９１は、検出部６７、６９に発生する電荷の加算値と、検出部６８、７０に発生する電荷の加算値との差分を検出することにより、Ｘ軸回りの角速度を検出することができる。

配線４７は、連結部６３又は連結部６６を経由して形成されている。すなわち、アーム２６に形成された電極と固定部２１に形成された電極パッド４８とを電気的に接続する配線４７は、連結部６３を経由し、縦梁２３のスリット６１よりも外側を通っている。アーム２７に形成された電極と固定部２２に形成された電極パッド４８とを電気的に接続する配線４７は、連結部６３を経由し、縦梁２３のスリット６２よりも外側を通っている。アーム２８に形成された電極と固定部２１に形成された電極パッド４８とを電気的に接続する配線４７は、連結部６６を経由し、縦梁２４のスリット６４よりも外側を通っている。アーム２９に形成された電極と固定部２２に形成された電極パッド４８とを電気的に接続する配線４７は、連結部６６を経由し、縦梁２４のスリット６５よりも外側を通っている。

以上のように、３軸それぞれの周りの角速度を検出できる検出素子６０において、スリット６１、６２、６４、６５が形成され、検出部６７〜７０と配線４７とが分離されている。この構造により、配線４７から検出部６７〜７０が受けるノイズの影響を軽減することが出来る。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３における検出素子８０の上面図である。以下、実施の形態１と同様の構成をなすものには同じ符号を付し、詳細な説明を省略することがある。

検出素子８０では、固定部２１、２２がＹ軸に平行に設けられている。この点が実施の形態１の検出素子２０と異なっている。横梁２５の第１端は固定部２１に接続され、第２端は固定部２２に接続されている。固定部２１、２２の両端は、梁８１、８２により接続されている。梁８１、８２は、衝撃等によるアーム２６〜２９の過振幅を抑制するためのストッパーとして用いることができる。

アーム２６、２７の第１端は、検出部４５と固定部２１との間に接続され、アーム２８、２９の第１端は、検出部４６と固定部２２との間に接続されている。したがって、検出部４５、４６は、配線４７による制約を受けることなく、横梁２５の上部に大きな面積で形成することができるため、Ｙ軸回りの角速度の検出感度を向上させることができる。

（実施の形態４）
以下、実施の形態４の検出素子１２０について、図面を参照しながら説明する。図７は検出素子１２０の斜視図である。図８は、検出素子１２０の電極配置を示した上面図であり、図９は、図８における線９−９の断面図を示した図である。

検出素子１２０は、固定部１２１、１２２と、縦梁１２３、１２４と、横梁１２５と、アーム１２６、１２７、１２８、１２９とを有する。縦梁１２３、１２４はそれぞれ、固定部１２１に接続された第１端と、固定部１２２に接続された第２端とを有する。横梁１２５の第１端は縦梁１２３の中央部に接続され、第２端は縦梁１２４の中央部に接続されている。アーム１２６、１２７、１２８、１２９の第１端は横梁１２５に接続され、第２端に錘１３０、１３１、１３２、１３３が形成されている。

縦梁１２３は、横梁１２５に接続された中央部よりも固定部１２１寄りに形成されたスリット１３４と、中央部よりも固定部１２２寄りに形成されたスリット１３５と、スリット１３４とスリット１３５との間の連結部１３６とを有している。すなわち、連結部１３６は中央部またはその近傍に配置されている。

縦梁１２４は、横梁１２５に接続された中央部よりも固定部１２１寄りに形成されたスリット１３７と、中央部よりも固定部１２２寄りに形成されたスリット１３８と、スリット１３７とスリット１３８との間の連結部１３９とを有している。すなわち、連結部１３９は中央部またはその近傍に配置されている。

このように、縦梁１２３、１２４にスリット１３４、１３５、１３７、１３８が形成されている。そのため、外部から固定部１２１、１２２を介して伝達される応力が横梁１２５やアーム１２６〜１２９、錘１３０〜１３３に伝達することを抑制することができる。すなわち、この効果は実施の形態２と同様である。

図５に示す検出素子６０では、アーム２６とアーム２７は、縦梁２３と縦梁２４との間で横梁２５の伸びる方向における横梁２５の中心軸Ｌ１に関して線対称である。そしてアーム２８とアーム２９もまた、中心軸Ｌ１に関して線対称である。そしてアーム２６とアーム２８は、中心軸Ｌ１に直交する直交軸Ｖ１に関して線対称である。アーム２６、２７の第１端は横梁２５の中心部２５Ｐよりも縦梁２３寄りに接続され、アーム２８、２９の第１端は中心部２５Ｐよりも縦梁２４寄りに接続されている。

これに対し図７、図８に示す検出素子１２０では、アーム１２６、１２７は、縦梁１２３と縦梁１２４との間で横梁１２５の伸びる方向における横梁１２５の中心軸Ｌ２に関して線対称である。アーム１２８、１２９もまた、中心軸Ｌ２に関して線対称である。アーム１２６とアーム１２８は、中心軸Ｌ２に直交する直交軸Ｖ２に関して線対称である。そしてアーム１２６、１２７の第１端は縦梁１２３よりも横梁１２５の中心部１２５Ｐ寄りに接続され、アーム１２８、１２９の第１端は縦梁１２４よりも中心部１２５Ｐ寄りに接続されている。このように、横梁に対するアームの向き、接続方向、接続位置に関わらず、縦梁に設けられたスリットは効果を奏する。

次に、検出素子１２０を用いた角速度の検出方法について説明する。図８に示すように、アーム１２６は２つの屈曲部１２６Ａ、１２６Ｂを有し、横梁１２５と屈曲部１２６Ａとを結ぶ直線部、屈曲部１２６Ａと屈曲部１２６Ｂとを結ぶ直線部、屈曲部１２６Ｂと錘１３０とを結ぶ直線部を有している。錘１３０は、横梁１２５と対向するように設けられている。モニタ部１４０は、横梁１２５と屈曲部１２６Ａとを結ぶ直線部に形成されている。駆動部１４１、１４２は横梁１２５と屈曲部１２６Ａとを結ぶ直線部の中間部分の、モニタ部１４０よりも屈曲部１２６Ａ寄りの位置から、屈曲部１２６Ａを経由して、屈曲部１２６Ａと屈曲部１２６Ｂとを結ぶ直線部の中間部分まで形成されている。

Ｚ軸周りの角速度を検出する検出部１４３、１４４は、屈曲部１２６Ａと屈曲部１２６Ｂとを結ぶ直線部の中間部分の、駆動部１４１、１４２よりも屈曲部１２６Ｂ寄りから、屈曲部１２６Ｂを経由して、屈曲部１２６Ｂと錘１３０とを結ぶ直線部の間まで形成されている。他のアーム１２７、１２８、１２９にも同様に、モニタ部、駆動部、検出部が形成されている。

Ｙ軸周りの角速度を検出する検出部１４５、１４６、１４７、１４８は、横梁１２５の上部において、Ｘ軸およびＹ軸（あるいは、Ｌ２軸、Ｖ２軸）に関して対称な位置に形成されている。すなわち、中心部１２５Ｐを原点として、Ｘ軸の正側かつＹ軸の正側に検出部１４５が形成され、Ｘ軸の正側かつＹ軸の負側に検出部１４６が形成されている。そしてＸ軸の負側かつＹ軸の正側に検出部１４７が形成され、Ｘ軸の負側かつＹ軸の負側に検出部１４８が形成されている。

Ｘ軸周りの角速度を検出するための第１検出部１４９、第２検出部１５０、第３検出部１５１、第４検出部１５２は、縦梁１２３、１２４の上面において、Ｘ軸およびＹ軸に関して対称な位置に形成されている。すなわち、固定部１２１、１２２および縦梁１２３、１２４で囲まれる領域を中空領域Ｒとすると、スリット１３４と中空領域Ｒとの間に第１検出部１４９が形成され、スリット１３５と中空領域Ｒとの間に第２検出部１５０が形成されている。そして、スリット１３７と中空領域Ｒとの間に第３検出部１５１が形成され、スリット１３８と中空領域Ｒとの間に第４検出部１５２が形成されている。

図９に示すように、シリコン基板１５３の上に下部電極１５４が形成され、その上に圧電薄膜１５５が形成され、更にその上に上部電極１５６、１５７が形成されている。下部電極１５４、圧電薄膜１５５および上部電極１５６は駆動部１４１を構成し、下部電極１５４、圧電薄膜１５５および上部電極１５７は駆動部１４２を構成している。同様に、モニタ部１４０、検出部１４３〜１４８、第１検出部１４９、第２検出部１５０、第３検出部１５１、第４検出部１５２も下部電極と圧電薄膜と上部電極の組み合わせにより構成されている。すなわち、駆動部、検出部、モニタ部の構成は実施の形態１〜３と同様である。

検出素子１２０は、図４に示す駆動回路９０から駆動部１４１、１４２に逆位相の駆動電圧が印加されることで、ＸＹ平面内で駆動方向Ｄに駆動振動する。

Ｚ軸周りの角速度が印加されると、コリオリ力により錘１３０〜１３３およびアーム１２６〜１２９が検出方向Ｓに沿って撓む。アーム１２６〜１２９の検出方向Ｓへの撓みにより検出部１４３、１４４の圧電薄膜１５５に逆位相の電荷が発生する。図４に示す検出回路９１は、検出部１４３と１４４に発生する電荷の差分を検出することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出することができる。

Ｙ軸周りの角速度が印加されると、コリオリ力により横梁１２５がＺ軸方向に撓む。検出部１４５、１４６には同位相の電荷が発生し、検出部１４７、１４８にはこれと逆位相の電荷が発生する。図４に示す検出回路９１は、検出部１４５、１４６に発生する電荷の加算値と、検出部１４７、１４８に発生する電荷の加算値との差分を検出することにより、Ｙ軸周りの角速度を検出することができる。

Ｘ軸周りの角速度が印加されると、コリオリ力により縦梁１２３、１２４がＺ軸方向に撓む。第１検出部１４９と第３検出部１５１には同位相の電荷が発生し、第２検出部１５０と第４検出部１５２にはこれと逆位相の電荷が発生する。図４に示す検出回路９１は、第１検出部１４９と第３検出部１５１に発生する電荷の加算値と、第２検出部１５０と第４検出部１５２に発生する電荷の加算値との差分を検出することにより、Ｘ軸周りの角速度を検出することができる。

すなわち、検出素子１２０において各軸周りの角速度を検出する原理は、実施の形態２における検出素子６０とほぼ同様である。このように、各検出部は検出素子１２０に印加された各軸周りの角速度に応じた信号を出力する。検出回路９１は検出部からの信号を処理して各軸周りの角速度を検出する。

図１０は、駆動振動周波数ｆｄと検出振動周波数ｆｘ、ｆｙ、ｆｚとの関係を示している。図４に示す駆動回路９０から駆動部１４１、１４２に逆位相の駆動電圧が印加されると、錘１３０〜１３３およびアーム１２６〜１２９は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動する。Ｚ軸周りの角速度が印加されると、錘１３０〜１３３およびアーム１２６〜１２９は検出振動周波数ｆｚで検出振動する。Ｙ軸周りの角速度が印加されると、横梁２５は検出振動周波数ｆｙで検出振動する。Ｘ軸周りの角速度が印加されると、縦梁１２３、１２４は検出振動周波数ｆｘで検出振動する。

Ｚ軸周りの角速度の検出感度は、駆動振動周波数ｆｄと検出振動周波数ｆｚとの差Δｆｚに依存し、Δｆｚが小さくなるほどＺ軸周りの角速度の検出感度が向上する。同様に、Ｙ軸周りの角速度の検出感度は、駆動振動周波数ｆｄと検出振動周波数ｆｙとの差Δｆｙに依存し、Ｘ軸周りの角速度の検出感度は、駆動振動周波数ｆｄと検出振動周波数ｆｘとの差Δｆｘに依存する。したがって、駆動振動周波数ｆｄや、検出振動周波数ｆｘ、ｆｙ、ｆｚが変動すると、角速度の検出感度が変動する。

検出素子１２０では、縦梁１２３、１２４にスリット１３４、１３５、１３７、１３８が設けられている。そのため、外部から固定部１２１、１２２を介して伝達される応力が、固定部１２１、１２２を介して横梁１２５やアーム１２６〜１２９、錘１３０〜１３３に伝達することを抑制することができる。この結果、検出素子１２０の検出感度の変動を抑制することができる。

なお、図８に示すように、連結部１３６、１３９と横梁１２５は同一直線上に配置することが望ましい。図５と同様に、固定部１２１、１２２の上には図示しない複数の電極パッドが設けられ、これらの電極パッドとモニタ部１４０、駆動部１４１、１４２、検出部１４３〜１４８とを電気的に接続する配線（図示せず）が検出素子１２０の上面に形成されている。連結部１３６、１３９と横梁１２５が同一直線上に配置されていることによって、連結部１３６、１３９を経由して縦梁１２３、１２４の外側部分にこれらの配線を形成することができる。そのため、第１検出部１４９〜第４検出部１５２と、縦梁１２３、１２４の外側部分に形成された配線とは、スリット１３４〜１３７を介して離間する。その結果、第１検出部１４９〜第４検出部１５２に不要な信号成分が重畳することを防ぐことができる。

なお、検出素子１２０では、シリコン基板と、その上に形成された下部電極、圧電薄膜および上部電極で構成されている。しかしながら、他の実施の形態と同様に、基板材料としてシリコンに代えて、ダイヤモンド、溶融石英、アルミナ又はＧａＡｓ等の非圧電材料を用いても良い。また、水晶、ＬｉＴａＯ_３又はＬｉＮｂＯ_３等の圧電材料を用いても良い。

（実施の形態５）
図１１は、本実施の形態における検出素子１６０の上面図である。以下、実施の形態５の特徴部分について、実施の形態４との相違点を中心に説明する。検出素子１６０では、横梁１２５の幅Ｗ１が縦梁１２３、１２４における連結部１３６、１３９の幅Ｗ２よりも大きく形成されている。この構成により、Ｘ軸周りの角速度が印加された際における第１検出部１４９〜第４検出部１５２の撓みを大きくすることができる。これ以外は実施の形態４と同様であり、同様の構成をなすものには同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１２Ａ、図１２Ｂはそれぞれ、Ｘ軸周りの角速度が印加された際の図１１における部分Ｔの側面図および斜視図である。横梁１２５の幅Ｗ１が縦梁１２４の連結部１３９の幅Ｗ２よりも大きいため、Ｘ軸周りの角速度が印加された際に生じるＺ軸方向のコリオリ力は内側部分１６２に集中する。そのため図１２Ａに示すように、縦梁１２４の外側部分１６１よりも、第３検出部１５１、第４検出部１５２が設けられた内側部分１６２の方が大きく撓んでいる。これは縦梁１２３においても同様であり、縦梁１２３の外側部分よりも、第１検出部１４９、第２検出部１５０が設けられた内側部分の方が大きく撓む。

図１２Ｂは部分Ｔの斜視図であり、所定の応力を印加した場合に、撓みが大きい部分ほど点の密度を大きく示している。外側部分１６１よりも内側部分１６２において撓みが大きく、また内側部分１６２においては連結部１３９に近い程、撓みが大きくなっている。したがって、第１検出部１４９〜第４検出部１５２は縦梁１２３、１２４の内側部分１６２における連結部１３６、１３９の近傍に設けることにより、Ｘ軸周りの角速度の検出感度を向上させることができる。

なお、縦梁１２４の内側部分１６２の幅を外側部分１６１の幅よりも大きくすることにより、第３検出部１５１、第４検出部１５２の面積を大きくすることができる。同様に縦梁１２３の内側部分の幅を外側部分の幅よりも大きくすることにより、第１検出部１４９、第２検出部１５０の面積を大きくすることができる。そのため、Ｘ軸周りの角速度の検出感度をさらに向上させることができる。

図１３は、Ｘ軸周りの角速度が印加された際の実施の形態４における検出素子１２０の撓み量と本実施の形態における検出素子１６０の撓み量との比を示している。検出素子１２０では、図７、図８に示すように、横梁１２５の幅と縦梁１２３、１２４の連結部１３６、１３９の幅とが同じである。検出素子１６０では、横梁１２５の幅Ｗ１は縦梁１２３、１２４の連結部１３６、１３９の幅Ｗ２の３倍である。

図１３に示すように、同じ大きさのＸ軸周りの角速度を印加した場合、検出素子１６０は検出素子１２０と比べて１．２倍撓む。このように、横梁１２５の幅Ｗ１を縦梁１２３、１２４の連結部１３６、１３９の幅Ｗ２よりも大きくすることにより、第１検出部１４９〜第４検出部１５２を形成する内側部分の撓みを大きくすることができ、Ｘ軸周りの角速度の検出感度を向上させることができる。

なお実施の形態５の構成は実施の形態２に適用してもよい。

本発明の検出素子は、検出感度の変動を抑制することができるため、携帯端末や車両等に用いられる検出素子として有用である。

２０検出素子
２１，２２固定部
２３，２４縦梁
２５横梁
２５Ａ第１アーム接続部
２５Ｂ第２アーム接続部
２６，２７，２８，２９アーム
２６Ａ，２６Ｂ屈曲部
３０，３１，３２，３３錘
４０モニタ部
４１，４２駆動部
４３，４４，４５，４６検出部
４７配線
５０シリコン基板
５１下部電極
５２圧電薄膜
５３，５４上部電極
６０検出素子
６１，６２，６４，６５スリット
６３，６６連結部
６７，６８，６９，７０検出部
８０検出素子
８１，８２梁
９０駆動回路
９１検出回路
９２外部回路
１２０検出素子
１２１，１２２固定部
１２３，１２４縦梁
１２５横梁
１２６，１２７，１２８，１２９アーム
１２６Ａ，１２６Ｂ屈曲部
１３０，１３１，１３２，１３３錘
１３４，１３５，１３７，１３８スリット
１３６，１３９連結部
１４０モニタ部
１４１，１４２駆動部
１４３，１４４検出部
１４５，１４６，１４７，１４８検出部
１４９第１検出部
１５０第２検出部
１５１第３検出部
１５２第４検出部
１５３シリコン基板
１５４下部電極
１５５圧電薄膜
１５６，１５７上部電極
１６０検出素子
１６１外側部分
１６２内側部分

Claims

第１縦梁と第２縦梁とを有する枠部と、
前記枠部に接続され、錘部を支持する可撓部と、
前記第１縦梁上に設けられ、角速度に応じた信号を出力する第１検出部と、を備え、
前記第１縦梁は、第１スリットと、第２スリットと、前記第１スリットと前記第２スリットとの間の第１連結部と、を有し、
前記第２縦梁は、第３スリットと、第４スリットと、前記第３スリットと前記第４スリットとの間の第２連結部と、を有し、
前記第１縦梁に接続された第１端と前記第２縦梁に接続された第２端とを有する横梁を有し、
前記第１縦梁上において、前記第１スリットより前記横梁に近い側に前記第１検出部を設け、前記第１スリットより前記横梁から遠い側に配線を設けた検出素子。
前記可撓部は、前記横梁に接続される第１〜第４アームを有する請求項１に記載の検出素子。
前記横梁の幅は、前記第１連結部の幅及び前記第２連結部の幅よりも大きい、
請求項２記載の検出素子。
前記第１アームと前記第２アームは、前記第１縦梁と前記第２縦梁との間で前記横梁の伸びる方向における前記横梁の中心軸に関して線対称であり、
前記第３アームと前記第４アームは、前記第１縦梁と前記第２縦梁との間で前記横梁の伸びる方向における前記横梁の中心軸に関して線対称であり、
前記第１アームと前記第３アームは、前記横梁の中心軸に直交する直交軸に関して線対称であり、
前記第１、第２アームの前記第１端は前記第１縦梁よりも前記横梁の中心部寄りに接続され、
前記第３、第４アームの前記第１端は前記第２縦梁よりも前記横梁の中心部寄りに接続された、請求項２記載の検出素子。
前記第１アームと前記第２アームは、前記第１縦梁と前記第２縦梁との間で前記横梁の伸びる方向における前記横梁の中心軸に関して線対称であり、
前記第３アームと前記第４アームは、前記第１縦梁と前記第２縦梁との間で前記横梁の伸びる方向における前記横梁の中心軸に関して線対称であり、
前記第１アームと前記第３アームは、前記横梁の中心軸に直交する直交軸に関して線対称であり、前記第１、第２アームの前記第１端は前記横梁の中心部よりも前記第１縦梁寄りに接続され、前記第３、第４アームの前記第１端は前記横梁の中心部よりも前記第２縦梁寄りに接続された、請求項２記載の検出素子。
請求項１記載の検出素子と、
前記検出素子の前記第１検出部からの信号を処理する検出回路と、を備えた、
角速度センサ。
前記枠部上に設けた電極パッドと、前記可撓部上に設けた第２検出部と、
を更に有し、
前記配線は、前記電極パッドと前記第２検出部とを接続する、
請求項１記載の検出素子。
第１縦梁と第２縦梁とを有する枠部と、
前記枠部に接続され、錘部を支持する可撓部と、
前記第１縦梁上に設けられ、角速度に応じた信号を出力する第１検出部と、を備え、
前記第１縦梁は、第１スリットと、第２スリットと、前記第１スリットと前記第２スリットとの間の第１連結部と、を有し、
前記第２縦梁は、第３スリットと、第４スリットと、前記第３スリットと前記第４スリットとの間の第２連結部と、を有し、
前記第１縦梁の接続された第１端と前記第２縦梁に接続された第２端とを有する横梁を有し、
前記横梁の幅は、前記第１連結部の幅及び前記第２連結部の幅よりも大きい、
検出素子。
前記第１縦梁上において、前記第１スリットより前記横梁に近い側に前記第１検出部を設け、前記第１スリットより前記横梁から遠い側に配線を設けた請求項８に記載の検出素子。
前記可撓部は、前記横梁に接続される第１〜第４アームを有する請求項８に記載の検出素子。
前記第１アームと前記第２アームは、前記第１縦梁と前記第２縦梁との間で前記横梁の伸びる方向における前記横梁の中心軸に関して線対称であり、
前記第３アームと前記第４アームは、前記第１縦梁と前記第２縦梁との間で前記横梁の伸びる方向における前記横梁の中心軸に関して線対称であり、
前記第１アームと前記第３アームは、前記横梁の中心軸に直交する直交軸に関して線対称であり、
前記第１、第２アームの前記第１端は前記第１縦梁よりも前記横梁の中心部寄りに接続され、
前記第３、第４アームの前記第１端は前記第２縦梁よりも前記横梁の中心部寄りに接続された、請求項９記載の検出素子。
前記第１アームと前記第２アームは、前記第１縦梁と前記第２縦梁との間で前記横梁の伸
びる方向における前記横梁の中心軸に関して線対称であり、
前記第３アームと前記第４アームは、前記第１縦梁と前記第２縦梁との間で前記横梁の伸びる方向における前記横梁の中心軸に関して線対称であり、
前記第１アームと前記第３アームは、前記横梁の中心軸に直交する直交軸に関して線対称であり、前記第１、第２アームの前記第１端は前記横梁の中心部よりも前記第１縦梁寄りに接続され、前記第３、第４アームの前記第１端は前記横梁の中心部よりも前記第２縦梁寄りに接続された、請求項８記載の検出素子。