以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の図面は、模式的なものである。従って、細部は省略されることがあり、また、寸法比率等は現実のものと必ずしも一致しない。
また、各図には、説明の便宜のために、直交座標系xyzを付している。なお、直交座標系xyzは、センサ素子(圧電体)の形状に基づいて定義されている。すなわち、x軸、y軸及びz軸は、結晶の電気軸、機械軸及び光軸を示すとは限らない。
同一又は類似する構成については、「第1駆動腕11A」、「第2駆動腕11B」のように、同一名称に対して互いに異なる番号及びアルファベットを付して呼称することがあり、また、この場合において、単に「駆動腕11」といい、これらを区別しないことがある。
図1は、本発明の実施形態に係るセンサ素子1の圧電体3を示す斜視図である。図2は、圧電体3上の電極配置を説明するためのセンサ素子1の斜視図である。図2において、圧電体3は、一部が省略されることなどにより、図1よりも模式的に示されている。
センサ素子1は、例えば、y軸回りの角速度を検出する角速度センサ101を構成するものである。角速度センサ101は、圧電振動式のものであり、センサ素子1は、x軸方向に励振され、z軸方向にコリオリの力が生じるように構成されている。具体的には、以下のとおりである。
センサ素子1は、圧電体3と、圧電体3に電圧を印加するための第1励振電極5A及び第2励振電極5B(図2)と、圧電体3に生じた電気信号を取り出すための第1検出電極7A及び第2検出電極7B(図2)とを有している。
圧電体3は、その全体が一体的に形成されている。圧電体3は、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。ただし、後述の効果の説明から理解されるように、本実施形態の効果は、圧電体3が多結晶である場合よりも、圧電体3が単結晶又はこれに準ずるものである場合において有効である。また、圧電体3の材料は適宜に選択されてよく、例えば、水晶(SiO2)、LiTaO3、LiNbO3、PZTである。
圧電体3において、電気軸乃至は分極軸(以下、両者を代表して分極軸のみに言及することがある。)は、x軸に一致するように設定されている。なお、分極軸は、所定の範囲(例えば15°以内)でx軸に対して傾斜していてもよい。また、圧電体3が単結晶である場合において、機械軸及び光軸は、適宜な方向とされてよいが、例えば、機械軸はy軸方向、光軸はz軸方向とされている。
圧電体3は、x軸方向に延びる基部9と、基部9からy軸方向の正側又は負側に延びる各種の腕(10A〜10D(図1)、11A〜11D、13A及び13B)とを有している。各種の腕は、同一平面(xy平面)内において延びている。以下において、単に平面視という場合、この平面を見ることを指すものとする。
第1駆動腕11A〜第4駆動腕11Dは、電圧(電界)が印加されることによってx軸方向(以下、「励振方向」ということがある。)に励振される部分である。第1検出腕13A及び第2検出腕13Bは、コリオリの力によってz軸方向(以下、「検出方向」ということがある。)に振動され、角速度に応じた電気信号を生成する部分である。基部9は、これら駆動腕11及び検出腕13を支持する部分である。第1実装腕10A〜第4実装腕10Dは、基部9を支持する部分である。これらの位置及び形状等は、例えば、以下のように設定されている。
圧電体3は、例えば、概略、全体として厚さ(z軸方向)が一定にされており、また、例えば、y軸方向に延びる中心線CL0(図1)に対して線対称の形状に形成されている。
基部9は、例えば、概ね直方体状とされている。基部9の3軸方向の寸法比率は適宜に設定されてよい。例えば、基部9は、x軸方向の大きさ>y軸方向の大きさ>z軸方向の大きさに設定されている。すなわち、基部9は、x軸方向を長手方向とし、z軸方向を厚み方向とする概ね長方形の板状とされている。なお、例えば、x軸方向の大きさ>z軸方向の大きさ≧y軸方向の大きさとされてもよい。
4本の実装腕10は、基部9の両端部9aからy軸方向の両側に延びている。換言すれば、4本の実装腕10は、他の全ての腕のx軸方向の外側にて他の腕に並列に延びている。4本の実装腕10は、例えば、x軸方向及びy軸方向のいずれにおいても線対称の配置及び形状となるように設けられている。実装腕10の具体的形状は適宜に設定されてよい。例えば、実装腕10は、概略矩形の板状に形成されている。
実装腕10の先端部のz軸方向の正側又は負側(本実施形態では正側)の面には、第1パッド15A〜第4パッド15D(模式図である図2において基部9の4隅に示す。なお、本実施形態とは異なり、実装腕10を設けずに、図2のようにパッド15を設けてもよい。)が設けられている。パッド15は、不図示の実装基体(例えばプリント配線基板)に設けられたパッドに対向し、当該パッドに対して半田乃至は導電性接着剤からなるバンプにより接着される。これにより、センサ素子1と実装基体との電気的な接続がなされ、また、センサ素子1(圧電体3)は、駆動腕11及び検出腕13が振動可能な状態で支持される。
なお、基部9及び実装腕10は、駆動腕11及び検出腕13等を揺動可能に支持する支持部8を構成している。
複数の駆動腕11は、互いに同一方向(y軸方向の正側)に互いに並列に(平行に)延びており、その先端は自由端とされている。駆動腕11の数は、偶数(本実施形態では4)である。偶数本の駆動腕11は、中心線CL0に対して互いに線対称に配置されている。また、偶数本の駆動腕11は、その形状も、中心線CL0に対して線対称とされている。すなわち、第1駆動腕11Aと第4駆動腕11Dとは、中心線CL0に対して互いに線対称の配置及び形状とされ、第2駆動腕11Bと第3駆動腕11Cとは、中心線CL0に対して互いに線対称の配置及び形状とされている。また、互いに隣り合う駆動腕11同士(例えば11A及び11B)は、例えば、互いに同一、又は、不図示の対称軸に対して互いに線対称の形状とされている(本実施形態では線対称)。
後述するように、中心線CL0の一方側の複数の駆動腕11(11A及び11B)は、共に同一側へ湾曲するように振動するから、全体として一つの仮想駆動腕を構成する。同様に、中心線CL0の他方側の複数の駆動腕11(11C及び11D)は、全体として一つの仮想駆動腕を構成する。上述のような線対称の形状及び配置の結果、2本の仮想駆動腕は、振動に係る特性が互いに線対称である。換言すれば、中心線CL0に対して互いに対称に横方向の正負を定義すれば、両者の振動に係る特性は互いに同一であり、固有振動数等も互いに同一である。
駆動腕11の形状は、例えば、いわゆるハンマ形状とされている。すなわち、駆動腕11は、基部9から延びる本体部11cと、その先端に位置し、本体部11cよりも幅(x軸方向)が広い幅広部11dとを有している。駆動腕11がハンマ形状とされることにより、駆動腕11は小型化されつつも質量が確保され、これによってセンサ素子1の検出感度が向上する。
また、本実施形態では、駆動腕11は、更に、幅広部11dの側方端から基部9側へ突出する突部11eを有している。突部11eは、エッチングによって圧電体3を形成する際に生じる残渣が駆動腕11の振動に及ぼす影響を低減するためのものである。
本体部11cは、例えば、y軸方向を長手方向とする直方体において、z軸方向の正側及び負側の面にy軸方向に延びる凹溝11a(図4(a)も参照)が形成された形状とされている。凹溝11aの断面形状は例えば概略矩形である。駆動腕11のxz断面の形状及び寸法は、例えば、駆動腕11の長手方向(y軸方向)の全体に亘って概略一定である。なお、凹溝11aは、1又は複数列で複数の凹部が駆動腕11に沿って配列されることによって構成されていてもよい。
幅広部11dは、例えば、幅方向(x軸方向)の一方のみに広がっており、また、その広がる方向は、隣り合う駆動腕11同士において互いに逆側である。これにより、中心線CL0の一方側及び他方側のそれぞれにおいては、互いに隣り合う2本の駆動腕11(11A及び11B、又は、11C及び11D)の本体部11cを互いに近付けることができる。幅広部11dの形状は、例えば、直方体状である。
突部11eは、幅広部11dが本体部11cに対して幅方向の一方側にのみ広がっていることに対応して、当該一方側にのみ設けられている。突部11eは、平面視において幅広部11dの基部9側に面する縁部のうち本体部11cとは反対側の端部に位置している。従って、突部11eの本体部11c側の側面は、本体部11cの側面と空間を挟んで対向している。また、突部11eの本体部11cとは反対側の側面は、幅広部11dの側面に連続している。
突部11eは、例えば、本体部11cの延びる方向に平行に突出している。突部11eの形状は、例えば、直方体状とされている。従って、突部11eの本体部11c側の側面は、本体部11cの側面と平行である。また、突部11eの本体部11cとは反対側の側面は、幅広部11dの側面と面一である(これら2つの側面で一平面を構成する)。
突部11eにおいては、例えば、幅(x軸方向)が長さ(y軸方向)及び厚さ(z軸方向)よりも小さい。すなわち、突部11eは、本体部11cの側面に平行な板状とされている。ただし、突部11eは、幅が長さ及び/又は厚さよりも大きくてもよい。長さ及び厚さは、いずれが他方よりも大きくてもよい。
突部11eは、本体部11c及び幅広部11dに比較して、長さ(y軸方向)及び幅(x軸方向)が小さくされている。
例えば、本体部11c及び幅広部11d全体の長さ(駆動腕11の長さ、y軸方向)が500μm以上3000μm以下であるのに対して、突部11eの長さは5μm以上100μm以下(50μm程度が好ましい)である。また、例えば、突部11eの長さは、本体部11cの長さの1/5未満又は1/10未満である。
また、例えば、本体部11cの幅が40μm以上400μm以下であるのに対して、突部11eの幅は2μm以上10μm以下(5μm程度が好ましい)である。また、例えば、突部11eの幅は、本体部11cの幅の1/5未満又は1/10未満である。
なお、突部11eの厚さは、例えば、本体部11c(凹溝11aは無視)及び幅広部11dと同等である。例えば、これらの厚さは、40μm以上400μm以下である。上記では、残渣の影響が相対的に大きくなる比較的小型のセンサ素子1の寸法を例示したが、センサ素子1は、例えば、腕の長さが10mm以上100mm以下となるような比較的大きなものであってもよい。
本体部11cの幅(x軸方向)が大きくなると、駆動腕11の励振方向(x軸方向)における固有振動数は高くなり、本体部11cの長さ(質量)及び/又は幅広部11dの質量が大きくなると、駆動腕11の励振方向における固有振動数は低くなる。従って、駆動腕11の各種の寸法は、励振させたい周波数に応じて設定される。突部11e及び残渣(後述)の質量も駆動腕11の固有振動数に影響する。この質量は、突部11e等の大きさにもよるが、設計段階又はその初期において無視されてもよいし、考慮されてもよい。なお、駆動腕11のx軸方向の固有振動数とz軸方向の固有振動数とは等しくされることが好ましい。
複数の検出腕13は、複数の駆動腕11の延びる方向とは反対方向(y軸方向の負側)に互いに並列に(平行に)延びており、その先端は自由端とされている。検出腕13の数は、偶数(本実施形態では2)であり、また、例えば、駆動腕11の数よりも少ない。偶数本の検出腕13は、中心線CL0に対して互いに線対称に配置されている。また、偶数本の検出腕13は、その形状も、中心線CL0に対して互いに線対称とされている。
従って、駆動腕11と同様に、中心線CL0の一方側と他方側とで、検出腕13の振動特性は、互いに対称である。換言すれば、中心線CL0に対して互いに対称に横方向の正負を定義すれば、両者の振動に係る特性は互いに同一であり、固有振動数等も互いに同一である。
検出腕13の形状は、例えば、駆動腕11と同様に、いわゆるハンマ形状とされている。すなわち、検出腕13は、基部9から延びる本体部13cと、その先端に位置し、本体部13cよりも幅(x軸方向)が広い幅広部13dとを有している。
また、本実施形態では、検出腕13は、更に、駆動腕11と同様に、幅広部13dの側方端から基部9側へ突出する突部13eを有している。突部13eは、検出腕13に生じる残渣が検出腕13の振動に及ぼす影響を低減するためのものである。
本体部13cの概略形状は、直方体とされている。この直方体においては、例えば、y軸方向の大きさ>x軸方向の大きさ>z軸方向の大きさである。すなわち、本体部13cは、y軸方向を長手方向とし、z軸方向を厚み方向とする概ね長方形の板状とされている。従って、検出腕13は、相対的に、励振方向(x軸方向)には振動しにくく、検出方向(z軸方向)に振動しやすくなっている。
また、例えば、検出腕13の本体部13cは、当該本体部13cをz軸方向に貫通し、y軸方向に延びる1又は複数(本実施形態では複数)の貫通溝13a(図4(b)も参照)が形成された形状とされている。別の観点では、本体部13cは、基部9からy軸方向に延び、x軸方向に並べられ、先端が互いに固定された複数の分割腕13bを有している。分割腕13b(貫通溝13a)のxz断面の形状は例えば概略矩形である。
検出腕13の幅広部13dは、例えば、本体部13cに対して幅方向(x軸方向)の両側に広がっている。幅広部13dの形状は、例えば、検出腕13の中心線に対して線対称の形状であり、また、例えば、直方体状である。
突部13eは、幅広部13dの幅方向の両側に広がっていることに対応して、幅広部13dの両側に設けられている。
突部13eは、例えば、幅広部13dの両側に設けられていることを除いて、駆動腕11の突部11eと同様である。従って、既述の突部11eの形状及び大きさ等についての説明は、駆動腕11、本体部11c、幅広部11d及び突部11eを、検出腕13、本体部13c、幅広部13d及び突部13eに読み替えて、突部13eの説明とされてよい。
なお、本実施形態では、検出腕13の本体部13cは、駆動腕11の本体部11cに比較して幅が大きくされているが、これはあくまで一例である。従って、突部11eの幅の説明も突部13eの説明に読み替えられてよい。すなわち、本体部13cの幅が40μm以上400μm以下であるのに対して、突部13eの幅は2μm以上10μm以下(5μm程度が好ましい)である。また、例えば、突部13eの幅は、本体部13cの幅の1/5未満又は1/10未満である。
駆動腕11と同様に、検出腕13の各種の寸法は、固有振動数を規定することから、コリオリの力による振動の方向であるz軸方向の固有振動数が適宜なものとなるように設定される。この際、駆動腕11と同様に、突部13e及び残渣の質量は、設計段階又はその初期において考慮されてもよいし、無視されてもよい。また、検出腕13のz軸方向の固有振動数は、駆動腕11のx軸方向の固有振動数と等しくされる(離調周波数が小さくされる)ことが好ましい。
駆動腕11のx軸方向の位置と検出腕13のx軸方向の位置との相対関係は、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bの振動によって第1検出腕13Aを振動させ、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dの振動によって第2検出腕13Bを振動させることが可能に適宜に設定されている。
例えば、第1駆動腕11Aと第2駆動腕11Bとの中間位置を通るこれらの腕に平行な線(不図示)と、第1検出腕13Aの中心線(不図示)とは一致している。同様に、第3駆動腕11Cと第4駆動腕11Dとの中間位置を通るこれらの腕に平行な線(不図示)と、第2検出腕13Bの中心線(不図示)とは一致している。ただし、これらはずれていてもよい。
なお、各腕の中心線は、例えば、本体部のxz断面の重心をy軸方向に連ねた線である。また、中心線CL0の一方側又は他方側の複数の腕全体(仮想腕)としての中心線を定義することもできる。例えば、第1駆動腕11Aの本体部11c及び第2駆動腕11Bの本体部11cの全体のxz断面の重心をy軸方向に連ねた線を、中心線CL0の一方側の駆動腕11全体(仮想駆動腕)の中心線と定義できる。
上記のように複数の腕全体としての中心線を定義すると、本実施形態では、中心線CL0の一方側及び他方側のそれぞれにおいて、複数の駆動腕11の全体としての中心線(不図示)と、1以上の検出腕13の中心線(不図示)とが一致していると捉えることができる。この概念は、駆動腕及び検出腕の本数が本実施形態とは異なる場合にも適用できる。例えば、1本の検出腕13に対応する駆動腕11の数が3本の場合に、3本の駆動腕全体の中心線を考え、この中心線を検出腕13の中心線と一致させてよい。また、例えば、3本の駆動腕11と2本の検出腕13とが対応している場合に、3本の駆動腕11全体の中心線と、2本の検出腕全体の中心線とを一致させてよい。
中心線CL0に対するx軸方向の一方側及び他方側のそれぞれにおいて、2本の駆動腕11間の距離(例えば、中心間距離:各駆動腕11の中心線同士の距離)は適宜に設定される。
本実施形態では、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bは、その全体としてのx軸方向の外側面(第1駆動腕11Aのx軸方向の負側の面及び第2駆動腕11Bのx軸方向の正側の面)が、第1検出腕13Aのx軸方向の外側面に一致するように配置されている。第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dも同様である。これにより、検出腕13の幅方向(x軸方向)全体に振動を伝達させやすくなる。また、駆動腕11の配置範囲は検出腕13の配置範囲に収まり、圧電体3が小型化される。ただし、駆動腕11間の距離は、本実施形態よりも短くされたり、長くされたりしてもよい。
また、中心線CL0に対するx軸方向の一方側及び他方側のそれぞれにおいて、互いに隣り合う駆動腕11同士の中心間距離は、例えば、中心線CL0を挟んで互いに隣り合う駆動腕11同士の中心間距離よりも短くされている。これにより、中心線CL0に対するx軸方向の一方側又は他方側のそれぞれにおいて互いに隣り合う駆動腕11間の相互影響は、中心線CL0を挟んで互いに隣り合う駆動腕11間の相互影響よりも大きい。ただし、中心線CL0に対するx軸方向の一方側及び他方側のそれぞれにおける駆動腕11同士の中心間距離が中心線CL0を挟んで互いに隣り合う駆動腕11同士の中心間距離よりも長くてもよい。
また、中心線CL0に対するx軸方向の一方側及び他方側のそれぞれにおいて、複数本(本実施形態では2本)の駆動腕11の中心間距離は、検出腕13同士の中心間距離よりも短くされている。これにより、中心線CL0の一方側及び他方側のそれぞれにおける、2本の駆動腕11間の相互影響は、中心線CL0を挟んで互いに隣り合う2本の検出腕13間の相互影響よりも大きい。ただし、中心線CL0に対するx軸方向の一方側及び他方側のそれぞれにおける駆動腕11間の中心間距離は、検出腕13間の中心間距離よりも長くてもよい。
図3(a)は、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bの先端側部分を示す拡大平面図である。
ここで、以下に説明する駆動腕11の先端側部分の残渣は、第1駆動腕11Aと第3駆動腕11Cとで同様であり、第2駆動腕11Bと第4駆動腕11Dとで同様である。すなわち、先端側部分の残渣は、線対称の駆動腕11同士ではなく、幅広部11dが広がる方向が同一の駆動腕11同士で同様である。
第1駆動腕11A(11C)において、本体部11cと幅広部11dとが成す凹状の角部には、第1本体部側残渣21Aが生じている。同様に、第2駆動腕11B(11D)において、本体部11cと幅広部11dとが成す凹状の角部には、第2本体部側残渣21Bが生じている。
第1本体部側残渣21Aが生じている角部と第2本体部側残渣21Bが生じている角部とは、形状は同一(線対称)であるが、x軸方向に対する向きが互いに逆である。従って、エッチングに対する圧電体の異方性に起因して、第1本体部側残渣21Aと第2本体部側残渣21Bとは形状及び大きさが互いに異なり、ひいては、質量が互いに異なる。
上記のことから、駆動腕11が本体部11c及び幅広部11dのみからなる(突部11eが設けられていない)と仮定すると、互いに線対称の形状の駆動腕11同士は、質量が互いに異なる。例えば、中心線CL0に対して互いに線対称の形状及び配置である、第1駆動腕11Aと第4駆動腕11Dとは、質量が互いに異なる。その結果、例えば、振動に関する特性が線対称でなくなるおそれがある。また、例えば、互いに隣り合い、不図示の対称軸に対して互いに線対称の形状である、第1駆動腕11Aと第2駆動腕11Bとは、質量が互いに異なる。その結果、例えば、この2本の駆動腕11からなる仮想駆動腕は、その中心線に対する振動の非対称性が大きくなるおそれがある。このように、残渣によって所望の振動が得られないおそれが生じる。
ここで、第1駆動腕11A(11C)において、幅広部11dと突部11eが成す凹状の角部には、第1突部側残渣23Aが生じている。同様に、第2駆動腕11B(11D)において、幅広部11dと突部11eとが成す凹状の角部には、第2突部側残渣23Bが生じている。
第1突部側残渣23Aが生じている角部と第2突部側残渣23Bが生じている角部とは、形状は同一(線対称)であるが、x軸方向に対する向きが互いに逆である。従って、本体部側残渣21と同様に、エッチングに対する圧電体の異方性に起因して、第1突部側残渣23Aと第2突部側残渣23Bとは、形状及び大きさが異なり、ひいては、質量が互い異なる。
一方、第1本体部側残渣21Aが生じている角部と第2突部側残渣23Bが生じている角部とは、形状が同一であるとともに、その向きも同一である。従って、第1本体部側残渣21Aと第2突部側残渣23Bとは、形状及び大きさが同じであり、ひいては、質量が同等である。同様に、第2本体部側残渣21Bと第1突部側残渣23Aとは、形状及び大きさが同じであり、ひいては、質量が同等である。
上記のことから、互いに線対称の形状の駆動腕11同士(11A及び11D、11B及び11C、11A及び11B、又は、11C及び11D)は、残渣を考慮しても、質量が互いに同等になる。その結果、例えば、所望の振動が得られやすくなる。
図3(b)は、検出腕13(第1検出腕13A及び第2検出腕13Bのいずれでも同様である)の先端側部分を示す拡大平面図である。
検出腕13において、本体部13cと幅広部13dとが成す、2つの凹状の角部には、第1本体部側残渣25A及び第2本体部側残渣25Bが生じている。この2つの角部は、形状は同一(線対称)であるが、x軸方向に対する向きが互いに逆である。従って、エッチングに対する圧電体の異方性に起因して、第1本体部側残渣25Aと第2本体部側残渣25Bとは形状及び大きさが互いに異なり、ひいては、質量が互いに異なる。
上記のことから、例えば、検出腕13が本体部13c及び幅広部13dのみからなる(突部13eが設けられていない)と仮定すると、検出腕13は、その中心線(不図示)に対して質量分布が非対称となる。その結果、例えば、中心線に対する振動の非対称性が大きくなるおそれがある。すなわち、残渣によって所望の振動が得られないおそれが生じる。
ここで、検出腕13において、幅広部13dと突部13eが成す、2つの凹状の角部には、第1突部側残渣27A及び第2突部側残渣27Bが生じている。この2つの角部は、形状は同一(線対称)であるが、x軸方向に対する向きが互いに逆である。従って、本体部側残渣25と同様に、エッチングに対する圧電体の異方性に起因して、第1突部側残渣27Aと第2突部側残渣27Bとは、形状及び大きさが異なり、ひいては、質量が互い異なる。
一方、第1本体部側残渣25Aが生じている角部と第2突部側残渣27Bが生じている角部とは、形状が同一であるとともに、その向きも同一である。従って、第1本体部側残渣25Aと第2突部側残渣27Bとは、形状及び大きさが同じであり、ひいては、質量が同等である。同様に、第2本体部側残渣25Bと第1突部側残渣27Aとは、形状及び大きさが同じであり、ひいては、質量が同等である。
上記のことから、例えば、検出腕13の質量分布は、突部13eが設けられない場合に比較して、検出腕13の中心線(不図示)に対して線対称に近づく。その結果、例えば、所望の振動が得られやすくなる。
図4(a)は、図1のIVa−IVa線における断面図である。図4(a)においては、第4駆動腕11Dの断面を示しているが、他の駆動腕11の断面も同様である。
図2及び図4(a)に示すように、励振電極5は、駆動腕11の表面に形成された層状電極である。励振電極5は、例えば、Cu,Al等の適宜な金属によって形成されている。
図4(a)に示すように、第1励振電極5Aは、各駆動腕11において、z軸方向の正側の面及びz軸方向の負側の面にそれぞれ設けられている。これらの面には、上述のように凹溝11aが形成されており、各面において、第1励振電極5Aは、凹溝11aの底面及び2つの内壁面を覆っている。また、第2励振電極5Bは、各駆動腕11において、x軸方向の正側の面及びx軸方向の負側の面にそれぞれ設けられている。
2つの第1励振電極5A及び2つの第2励振電極5Bは、例えば、駆動腕11の各面を概ね覆うように設けられている。ただし、第1励振電極5A及び第2励振電極5Bは、互いに短絡しないように、少なくとも一方(本実施形態では第1励振電極5A)が各面よりも幅方向において小さく形成されている。
各駆動腕11において、2つの第1励振電極5Aは、例えば互いに同電位とされる。例えば、2つの第1励振電極5Aは、圧電体3上の配線等により互いに接続されている。また、各駆動腕11において、2つの第2励振電極5Bは、例えば互いに同電位とされる。例えば、2つの第2励振電極5Bは、圧電体3上の配線等により互いに接続されている。
なお、励振電極5の付加符号A、Bは、直交座標系xyzに基づいて付されている。従って、例えば、後述するように、一の駆動腕11の第1励振電極5Aと、他の駆動腕11の第1励振電極5Aとは同電位とは限らない。
図4(b)は、図1のIVb−IVb線における断面図である。図4(b)においては、第2検出腕13Bの一部の分割腕13bの断面を示しているが、第2検出腕13Bの他の分割腕13b、及び、第1検出腕13Aの分割腕13bの断面も同様である。
図2及び図4(b)に示すように、検出電極7は、検出腕13(分割腕13b)の表面に形成された層状電極である。検出電極7は、例えば、Cu,Al等の適宜な金属によって形成されている。検出電極7は、各分割腕13bに設けられている。すなわち、検出電極7は、検出腕13のx軸方向の外側面だけでなく、複数の貫通溝13aの内壁面にも設けられている。
より具体的には、第1検出電極7Aは、各分割腕13bにおいて、x軸方向の負側の面のうちのz軸方向の正側の領域、及び、x軸方向の正側の面のうちのz軸方向の負側の領域にそれぞれ設けられている。第2検出電極7Bは、各分割腕13bにおいて、x軸方向の負側の面のうちのz軸方向の負側の領域、及び、x軸方向の正側の面のうちのz軸方向の正側の領域にそれぞれ設けられている。第1検出電極7A及び第2検出電極7Bは、互いに短絡しないように適宜な間隔を空けて、分割腕13bに沿って延びている。
各検出腕13において、複数の第1検出電極7Aは、例えば、圧電体3上の配線等により接続されている。各検出腕13において、複数の第2検出電極7Bは、例えば、圧電体3上の配線等により接続されている。
なお、励振電極5と同様に、検出電極7の付加符号A、Bは、直交座標系xyzに基づいて付されている。従って、例えば、後述するように、第1検出腕13Aの第1検出電極7Aと、第2検出腕13Bの第1検出電極7Aとは、(本実施形態では)接続されない。
図4(a)及び図4(b)に示すように、角速度センサ101は、励振電極5に電圧を印加する励振回路103と、検出電極7からの電気信号を検出する検出回路105とを有している。
励振回路103は、例えば、発振回路や増幅器を含んで構成されており、所定の周波数の交流電圧を第1励振電極5Aと第2励振電極5Bとの間に印加する。なお、周波数は、角速度センサ101内にて予め定められていてもよいし、外部の機器等から指定されてもよい。
検出回路105は、例えば、増幅器や検波回路を含んで構成されており、第1検出電極7Aと第2検出電極7Bとの電位差を検出し、その検出結果に応じた電気信号を外部の機器等に出力する。より具体的には、例えば、上記の電位差は、交流電圧として検出され、検出回路105は、検出した交流電圧の振幅に応じた信号を出力する。この振幅に基づいてy軸回りの角速度が特定される。また、検出回路105は、励振回路103の印加電圧と検出した電気信号との位相差に応じた信号を出力する。この位相差に基づいてy軸回りの回転の向きが特定される。
なお、励振回路103及び検出回路105は、全体として制御回路107を構成している。制御回路107は、例えば、チップICによって構成されており、センサ素子1が実装される回路基板又は適宜な形状の実装基体に実装されている。
(動作説明)
図5(a)は、駆動腕11における電位等を説明する図であり、図4(a)に対応する模式図である。図5(b)は、検出腕13における電位等を説明する図であり、図4(b)に対応する模式図である。
第1励振電極5Aに正の電位が付与され、第2励振電極5Bに負の電位(又は基準電位)が付与されると、同図において矢印で示すような電界が生じる。一方、分極軸は、x軸方向に一致している。従って、電界のx軸方向の成分に着目すると、駆動腕11のうちx軸方向の一方側部分においては電界の向きと分極軸の向きは一致し、他方側部分においては電界の向きと分極軸の向きは逆になる。
その結果、駆動腕11のうちx軸方向の一方側部分はy軸方向において収縮し、他方側部分はy軸方向において伸長する。そして、駆動腕11は、バイメタルのようにx軸方向の一方側へ湾曲する。第1励振電極5A及び第2励振電極5Bに印加される電圧が逆にされると、駆動腕11は逆方向に湾曲する。このような原理により、交流電圧が第1励振電極5A及び第2励振電極5Bに印加されると、駆動腕11はx軸方向において振動する。
ここで、上述のように、第1励振電極5Aが設けられる駆動腕11のz軸方向の正側及び負側の面には、凹溝11aが形成されている。従って、第1励振電極5Aは、x軸方向において第2励振電極5Bと対向する部分(凹溝11aの内壁に位置する部分)を有することになり、また、全体として面積が大きくなる。その結果、駆動腕11内におけるx軸方向の電界の強さを大きくし、効率的に駆動腕11を振動させることができる。
センサ素子1がy軸回りに回転されると、x軸方向において振動している駆動腕11には、慣性力の一つである、その角速度に応じた大きさのコリオリの力が加わる。その結果、駆動腕11はz軸方向において振動する。駆動腕11及び検出腕13は基部9によって連結され、互いに力の相互作用を及ぼすから、検出腕13は、z軸方向において、駆動腕11とは逆位相で振動する(駆動腕11の湾曲方向とは逆方向に湾曲する。)。
検出腕13がz軸方向に湾曲すると、図5(b)において矢印で示すように、z軸方向に平行な電界が生じる。電界の向きは、x軸(分極軸)方向の正側部分と負側部分とで互いに逆である。また、電界の向きは、分極軸の向きと、湾曲の向き(z軸方向の正側又は負側)とで決定される。この電圧(電界)が第1検出電極7A及び第2検出電極7Bに出力される。検出腕13がz軸方向に振動すると、電圧は交流電圧として検出される。
ここで、上述のように、検出腕13には複数の貫通溝13aが形成されており、検出電極7は、検出腕13のx軸方向の正側及び負側の面だけでなく、その貫通溝13aの内壁面にも設けられている。従って、検出電極7は、検出腕13のx軸方向の外側面だけに設けられている場合に比較して、全体としての面積が大きくなっている。その結果、検出腕13において生じる電荷を効率的に電気信号として取り出すことができる。
図6(a)は、4本の駆動腕11のx軸方向における励振を説明するための模式的な平面図である。
第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bは、励振方向(x軸方向)において同一側へ共に変形するように互いに同一の位相で励振される。例えば、第1駆動腕11Aの第1励振電極5Aと第2駆動腕11Bの第1励振電極5Aとは接続され、第1駆動腕11Aの第2励振電極5Bと第2駆動腕11Bの第2励振電極5Bとは接続され、これらの第1励振電極5Aと、第2励振電極5Bとの間に交流電圧が印加される。
同様に、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dは、励振方向において同一側へ共に変形するように互いに同一の位相で励振される。この励振も、上記と同様に、2本の駆動腕11間において、第1励振電極5A同士が接続され、第2励振電極5B同士が接続されることなどにより実現されてよい。
第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bのグループと、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dのグループとは、励振方向において互いに逆側へ変形するように互いに逆の位相(180°ずれた位相)で励振される。例えば、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bの第1励振電極5Aと、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dの第2励振電極5Bとが接続され(第1の電極群)、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bの第2励振電極5Bと、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dの第1励振電極5Aとが接続され(第2の電極群)、第1の電極群と第2の電極群との間に交流電圧が印加される。
なお、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bのグループと、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dのグループとは、x軸方向において逆位相で振動していることから、圧電体3全体としては、これらグループのx軸方向の力は互いに打ち消し合う。
図6(b)は、4本の駆動腕11及び2本の検出腕13のz軸方向における振動を説明するための模式的な斜視図である。より具体的には、図6(b)は、図6(a)に示したように駆動腕11が湾曲している圧電体3が、中心線CL0回り(y軸回り)に矢印y5で示す方向へ回転した場合における、駆動腕11及び検出腕13の湾曲状態を示す斜視図である。
第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bは、回転中心(中心線CL0)に対して、その半径方向(x軸方向)の同一側に配置されている。また、両駆動腕11は、図6(a)に示したように、その半径方向(励振方向、x軸方向)において共に外側又は内側へ湾曲するように励振される。従って、両駆動腕11においてコリオリの力の向きは互いに同一である。その結果、図6(b)に示すように、両駆動腕11はz軸方向において同一側へ共に湾曲するように振動する。同様に、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dは、コリオリの力によって、z軸方向において同一側へ共に湾曲するように振動する。
第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bのグループと、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dのグループとは、回転中心(中心線CL0)に対して、その半径方向(x軸方向)において互いに逆側に配置されており、ひいては、回転によるz軸方向の移動の向きは互いに逆である。また、図6(a)に示したように、一方のグループが半径方向において外側(又は内側)へ湾曲するとき、他方のグループも半径方向において外側(又は内側)へ湾曲するように、両グループは励振される。従って、両グループにおいてコリオリの力の向きは互いに逆となる。その結果、図6(b)に示すように、両グループはz軸方向において互いに逆側へ湾曲するように振動する。
駆動腕11及び検出腕13は、基部9によって連結されている。従って、駆動腕11の振動は、基部9を介して検出腕13に伝達され、検出腕13も振動する。具体的には、第1検出腕13Aは、z軸方向において第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bとは逆側へ湾曲するように振動する。また、第2検出腕13Bは、z軸方向において第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dとは逆側へ湾曲するように振動する。
第1検出腕13A及び第2検出腕13Bは、z軸方向において互いに逆側に湾曲するように振動する。従って、両者は、x軸方向の一方側部分(又は他方側部分)において生じる電圧がz軸方向において互いに逆向きである。従って、例えば、第1検出腕13Aの第1検出電極7Aと第2検出腕13Bの第2検出電極7Bとが接続され、第1検出腕13Aの第2検出電極7Bと第2検出腕13Bの第1検出電極7Aとが接続されることにより、両検出腕13において生じた電気信号は加算される。
(配線の一例)
上記の動作説明においては、複数の励振電極5及び複数の検出電極7の接続関係について言及した。この接続関係を実現する配線の一例を図7に示す。
図7は、センサ素子1の斜視図である。ただし、この図は、配線を視認しやすいようにセンサ素子1を図2よりも更に模式的に示している。例えば、圧電体3の形状は単純化されて示され、また、各種の電極は小さく示されている。
この例において、第1パッド15A及び第2パッド15Bは、複数の励振電極5に印加される電圧が入力されるパッドである。また、第3パッド15C及び第4パッド15Dは、複数の検出電極7からの信号を出力するためのパッドである。
第1パッド15Aからは、第1配線17Aが延びている。第1配線17Aは、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bの第1励振電極5A、並びに、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dの第2励振電極5Bに接続されている。また、第2パッド15Bからは、第2配線17Bが延びている。第2配線17Bは、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11Bの第2励振電極5B、並びに、第3駆動腕11C及び第4駆動腕11Dの第1励振電極5Aに接続されている。
第3パッド15Cからは、第3配線17Cが延びている。第3配線17Cは、第1検出腕13Aの第1検出電極7A及び第2検出腕13Bの第2検出電極7Bに接続されている。また、第4パッド15Dからは、第4配線17Dが延びている。第4配線17Dは、第1検出腕13Aの第2検出電極7B及び第2検出腕13Bの第1検出電極7Aに接続されている。
配線17は、互いに交差しないように、基部9の4面及び各種の腕部の根元側部分及び先端側部分の4面等に適宜に配置され、また、適宜に分岐又は合流している。
なお、図7に示す配線は、あくまで一例であり、他の種々のパターンによって、動作説明において言及した電極の接続関係が実現されてよい。4本の実装腕10と、その上に設けられる4種のパッド15(図7では便宜上、基部9の2つの端部9a上に示している。)との組み合わせも変更されてよい。配線17は、絶縁体を介して互いに立体交差するように設けられてもよい。
以上に説明したセンサ素子1の製造方法は、圧電体3の具体的な形状に係る部分を除いては、公知の方法と同様とされてよい。例えば、特に図示しないが、エッチングによって圧電体3を形成し、その圧電体3に対して成膜用マスクを介して導電材料を成膜して励振電極5、検出電極7、パッド15及び配線17を形成することによって、センサ素子1は作製される。
エッチングは、例えば、圧電体3が多数個取りされる圧電基板の主面(xy平面)にエッチングマスクを形成し、そのエッチングマスクの開口を介してエッチング液又はエッチングガスを圧電基板に接触させることによって行われる。エッチングマスクの材料及び形成方法(フォトリソグラフィーの利用等)、並びに、エッチング液等は、公知のものと同様でよい。なお、エッチングは、腕の側面等における残渣が低減されるように比較的長い時間(例えば10時間)に亘って行われてよい。
エッチングマスクは、圧電基板のうちエッチングが禁止される領域に重なる。すなわち、エッチングマスクは、圧電基板のうち、基部9、複数の実装腕10、複数の駆動腕11及び複数の検出腕13となる領域に重なる。より詳細には、エッチングマスクは、駆動腕11となる領域に関し、本体部11c、幅広部11d及び突部11eとなる領域に重なり、本体部側残渣21及び突部側残渣23が生じる領域には重ならない。同様に、エッチングマスクは、検出腕13となる領域に関し、本体部13c、幅広部13d及び突部13eとなる領域に重なり、本体部側残渣25及び突部側残渣27が生じる領域には重ならない。平面視における凹状の角部においては、例えば、エッチング液又はエッチングガスが側方から接触する面積が相対的に小さいことから、本体部側残渣25及び突部側残渣27等の残渣が生じる。
以上のとおり、本実施形態では、センサ素子1は、圧電体3と、圧電体3の駆動腕11の表面に設けられた励振電極5と、圧電体3の検出腕13の表面に設けられた検出電極7と、を有している。駆動腕11(又は検出腕13)は、平面視において、基部9から延びる本体部11cと、本体部11cの先端に位置し、本体部11cよりも幅広に形成された幅広部11dと、幅広部11dの側方端から基部9側へ突出する突部11eと、を有している。
従って、図3を参照して説明したように、残渣は、本体部11cの側面が構成する凹状の角部だけでなく(本体部側残渣21)、当該側面に対向する突部11eの側面が構成する凹状の角部にも生じる(突部側残渣23)。この2つの角部は、x軸方向の向きが互いに逆向きである。その結果、例えば、互いに線対称の形状の2本の腕(例えば第1駆動腕11A及び第4駆動腕11D、又は、第1駆動腕11A及び第2駆動腕11B)の質量を、残渣を含めて同等にすることができる。また、例えば、中心線に対して線対称の形状の腕(例えば検出腕13)の質量分布を中心線に対して線対称に近づけることができる。その結果、残渣が振動に及ぼす影響を低減(調整)できる。
また、本実施形態では、駆動腕11において、幅広部11dは、平面視において本体部11cに対して側方両側のうち一方側にのみ広がっており、突部11eは、幅広部11dが広がる側にのみ設けられている。
従って、例えば、駆動腕11に対して幅広部11dが広がっていない側に他の腕(本実施形態では他の駆動腕11)、又は、他の部材を近づけることができる。その結果、例えば、腕同士の相互影響を強くし、及び/又は、圧電体3(角速度センサ101)の小型化を図り、その一方で、駆動腕11の質量を確保して検出感度を向上させることができる。また、例えば、互いに線対称の形状の2本の駆動腕11(11A及び11D、11B及び11C、11A及び11B、又は、11C及び11D)が設けられた場合に、両者の質量を、残渣を含めて同等にすることができる。その結果、振動の非対称性が低減される。
また、本実施形態では、複数の駆動腕11は、平面視において互いに隣り合って並列に延び、それぞれ、本体部11c、幅広部11d及び突部11eを有する2本の駆動腕11(11A及び11B、又は、11C及び11D)を含む。この2本の駆動腕11それぞれにおいて、幅広部11dは、当該2本の駆動腕11の内側及び外側のうち外側にのみ、本体部11cに対して広がっている。
従って、例えば、駆動腕11同士を近づけて、腕同士の相互影響を強くし、及び、圧電体3の小型化を図り、その一方で、駆動腕11の質量を確保して検出感度を向上させることができる。また、例えば、互いに線対称の形状の2本の駆動腕11の質量を、残渣を含めて同等にすることができる。その結果、振動の非対称性が低減される。
また、本実施形態では、上記の互いに隣り合い、外側にのみ幅広部11dが広がる2本の駆動腕11(11A及び11B、又は、11C及び11D)に関し、2本の駆動腕11間で互いに同一の位置に設けられるとともに互いに接続された複数の第1励振電極5Aと、2本の駆動腕11間で互いに同一の位置に設けられるとともに互いに接続され、複数の第1励振電極5Aとの間に電圧が印加されることにより、2本の駆動腕11を励振可能な複数の第2励振電極5Bと、が設けられている。すなわち、隣り合う2本の駆動腕11は、共に同一側に湾曲するように励振されるものである(1本の仮想駆動腕を構成する。)。
従って、例えば、2本の駆動腕11からなる1本の仮想駆動腕と同じ固有振動数を有する現に1本の駆動腕を設ける場合に比較して、仮想駆動腕を短くしつつ、仮想駆動腕全体としては質量を確保して検出感度を向上させることができる。また、例えば、幅広部11dが広がる側とは反対側同士を近づけることにより、腕同士の相互影響を強くし、うなりを早期に収束させて起動時間を短くすることができる。2本の駆動腕11の質量を、残渣を含めて同等にすることができることから、起動時間をより短縮できる。
また、本実施形態では、複数の駆動腕11は、上記の互いに隣り合い、外側にのみ幅広部11dが広がる2本の駆動腕11を、これらに平行な所定の対称軸(中心線CL0)に対して線対称に2組(11A及び11Bの組、並びに、11C及び11Dの組)含む。一方の組の2本の駆動腕11(11A及び11B)の複数の第1励振電極5Aと、他方の組の2本の駆動腕11(11C及び11D)の複数の第2励振電極5Bとが接続され、一方の組の2本の駆動腕11(11A及び11B)の複数の第2励振電極5Bと、他方の組の2本の駆動腕11(11C及び11D)の複数の第1励振電極5Aとが接続されている。すなわち、2本の組は、互いに逆側に(線対称に)湾曲するように励振される。
また、上記とは少し別の観点(仮想駆動腕に着目しない観点)では、本実施形態では、複数の駆動腕11は、平面視において所定の対称軸(中心線CL0)に対して平行に延びるとともに中心線CL0に対して互いに線対称の位置に配置され、それぞれ、本体部11c、幅広部11d及び突部11eを有する2本の駆動腕11(11A及び11D、又は、11B及び11C)を含む。2本の駆動腕11(例えば11A及び11D)間で互いに同一の位置に設けられた複数の第1励振電極5Aと、2本の駆動腕11間で互いに同一の位置に設けられ、複数の第1励振電極5Aとの間に電圧が印加されることにより、2本の駆動腕11を励振可能な複数の第2励振電極5Bと、が設けられ、2本の駆動腕11の一方の駆動腕11の第1励振電極5Aと、2本の駆動腕11の他方の駆動腕11の第2励振電極5Bとが接続され、前記一方の駆動腕11の第2励振電極5Bと、前記他方の駆動腕11の第1励振電極5Aとが接続されている。すなわち、中心線CL0に対して互いに線対称に配置された2本の駆動腕11は、互いに逆側に(線対称に)湾曲するように励振される。
ここで、例えば、検出腕13においては、幅広部13dが両側に広がっていることから、2本の検出腕13は、いずれも、第1本体部側残渣25A及び第2本体部側残渣25Bの双方を有している。従って、突部13eが設けられていないとしても、2本の検出腕13の質量は互いに同等である。これに対して、駆動腕11においては、幅広部11dが一方側にのみ広がっていることから、線対称に配置された2本の駆動腕11は、第1本体部側残渣25Aのみ又は第2本体部側残渣25Bのみを有している。従って、突部11eが設けられていない場合、線対称に配置された2本の駆動腕11の質量は互いに異なる。すなわち、幅広部が一方側にのみ広がる腕は、幅広部が両側に広がる腕に比較して、残渣によって、線対称に配置された腕間における質量の非対称性が大きくなりやすい。そして、幅広部11dが一方側にのみ広がる駆動腕11において、突部11eが設けられることから、図3(a)を参照して説明したように線対称に配置された駆動腕11間の質量の非対称性が好適に低減される。その結果、振動の非対称性が低減され、検出精度が向上する。
また、本実施形態では、検出腕13において、幅広部13dは、平面視において本体部13cに対して側方両側に広がっており、突部13eは、幅広部13dの側方両側それぞれに設けられている。
従って、検出腕13は、図3を参照して説明したように、本体部13cの中心線に対して線対称の質量分布とされやすく、意図しない振動の傾斜、又は、意図しない捩れ等が生じるおそれが低減され、所望の振動特性を得やすくなる。
また、本実施形態では、角速度センサ101は、センサ素子1と、励振電極5に電圧を印加する励振回路103と、検出電極7から電気信号を検出する検出回路105と、を有している。従って、角速度センサ101は、センサ素子1により、ハンマ形状の腕の残渣が振動に及ぼす影響を調整することができるので、残差の影響のために検出精度が低下することを軽減させることが可能となる。
(変形例)
図8(a)は、第1変形例に係る駆動腕211の先端部分を示す平面図である。
駆動腕211は、例えば、矢印及び想像線(2点鎖線)で示すように、実施形態の駆動腕11と同様に、幅方向(x軸方向)に励振されるものである。ただし、駆動腕211は、実施形態の検出腕13と同様に、本体部211cに対して側方両側に広がる幅広部211dを有しており、幅広部211dの側方両側に突部211eを有している。なお、駆動腕211を含む圧電体の全体構成は、実施形態と同様であってもよいし、異なっていてもよい。
駆動腕211においては、駆動腕11又は検出腕13と同様に、突部13eが設けられることによって、第1本体部側残渣21Aと同様の形状及び大きさの第2突部側残渣23B、及び、第2本体部側残渣21Bと同様の形状及び大きさの第1突部側残渣23Aが生じる。その結果、例えば、本体部211cの中心線に対する質量分布の対称性が向上する。
図8(b)は、第2変形例に係るセンサ素子301の2本の駆動腕11を示す平面図である。
実施形態では、互いに隣り合い、その外側に幅広部11dが広がる2本の駆動腕11は、共に同一側に湾曲され、1本の仮想駆動腕を構成した。これに対して、この変形例においては、矢印及び想像線(2点鎖線)で示すように、互いに隣り合い、その外側に幅広部11dが広がる2本の駆動腕11が、互いに逆側に湾曲するように励振される。例えば、特に図示しないが、一方の駆動腕11の第1励振電極5Aと他方の駆動腕11の第2励振電極5Bとが接続され、一方の駆動腕11の第2励振電極5Bと他方の駆動腕11の第1励振電極5Aとが接続されている。
このような動作態様のセンサ素子301においても、幅広部11dが2本の駆動腕11の外側にのみ広がっていることにより、例えば、駆動腕11同士を近づけることができる。その結果、例えば、2本の駆動腕11の相互影響を大きくしてうなりを早期に収束させて起動時間を短くしたり、圧電体を小型化したりできる。そして、図3(a)を参照して説明したように、突部11eによって、残渣を含めた質量が2本の駆動腕11間で同等になることにより、振動の対称性が向上する。振動の対称性の向上によって、例えば、起動時間の更なる短縮、及び/又は、検出精度の向上が図られる。
図9は、第3変形例に係る圧電体403の2本の駆動腕411を示す平面図である。
2本の駆動腕411は、例えば、実施形態の駆動腕11と同様に、本体部411cに対して幅方向の一方側(例えば2本の駆動腕411の外側)にのみ広がる幅広部411dを有している。なお、検出腕13及び第1変形例と同様に、幅広部は両側に広がるものであってもよい。
この変形例では、突部411eは、幅広部411dの側方端だけでなく、幅広部411dの基部側(y軸方向負側)の縁部の全体に亘って複数設けられている。隣り合う突部411e間の隙間の幅(x軸方向)、及び、本体部411cと本体部411cの隣に位置する突部411eとの隙間の幅は、比較的小さくされている。例えば、この隙間の幅は、2μm以上10μm以下(好ましくは5μm程度)とされている。
このような構成においては、互いに隣り合う突部411e間に架け渡された残渣421が生じる。同様に、本体部411cと、本体部411cの隣の突部411eとの間には、これらに架け渡された残渣421が生じる。
各駆動腕11において、複数の突部411eは、例えば、互いに同一の形状及び大きさで、一定のピッチ(本体部411cと突部411eとの間を含む)で設けられている。また、2本の駆動腕11間においても、複数の突部411eの形状、大きさ及びピッチは互いに同一とされている。このような構成においては、複数の残渣421は、互いに同一の形状及び大きさである。
従って、2本の駆動腕11間の質量は互いに同等になる。また、同一の形状及び大きさの残渣421が幅広部411dの基部側の縁部に亘って分布することから、実施形態に比較して、2本の駆動腕411間において質量分布が線対称になりやすい。さらに、特定の結晶面が大きく現れることが抑制されるから、一の残渣421内の偏った形状も緩和され、より線対称になりやすい。
本発明は、以上の実施形態及び変形例に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
本発明の突部は、ハンマ形状の駆動腕及び/又は検出腕を有するあらゆる角速度センサに適用可能である。従って、角速度センサの基本構成(例えば、駆動腕及び検出腕の本数、位置及び形状、並びに、電極の位置及び接続関係)は、実施形態に例示したものに限定されない。例えば、角速度センサは、実施形態と同様に、y軸方向の互いに逆側に延びる1以上の駆動腕及び1以上の検出腕を含む圧電体を有し、実施形態とは異なり、x軸又はz軸の回転を検出するように電極及び回路が構成されたものであってもよい。また、例えば、角速度センサは、y軸方向の同一側に延びる1以上の駆動腕及び1以上の検出腕を含む圧電体を有し、x軸回り、y軸回り又はz軸回りの回転を検出するように電極及び回路が構成されたものであってもよい。また、例えば、角速度センサは、複数の駆動腕及び複数の検出腕が放射状に延びるものであってもよい。駆動腕及び検出腕の本数も適宜に設定されてよい。駆動腕に実施形態の検出電極のような2側面の4領域に形成される励振電極が形成されてもよいし、検出腕に実施形態の駆動電極のような4側面に形成される検出電極が形成されてもよい。駆動腕の凹溝は形成されなくてもよいし、検出腕の貫通溝は形成されなくてもよい。駆動腕に貫通溝が形成されたり、検出腕に凹溝が形成されたりしてもよい。
実施形態等では、複数の腕に設けられた複数の突部、又は、一の腕に設けられた2つの突部は、互いに同一の形状及び大きさとされた。また、第3変形例では、複数の突部のピッチも一定とされた。ただし、複数の突部は、形状、大きさ及びピッチが互いに異なっていてもよい。例えば、これらは、線対称に配置された2本の腕の間で異なっていてもよいし、一の腕の側方両側に設けられた2つの突部間で異なっていてもよいし、駆動腕と検出腕とで異なっていてもよいし、複数の駆動腕間で異なっていてもよいし、複数の検出腕間で異なっていてもよい。このような相違を意図的に生じさせることによって、例えば、固有振動数を腕毎に微調整することができる。また、例えば、y軸方向の正側と負側とで現れる結晶面が相違することに起因する残渣の形状及び大きさの相違に応じて突部の長さを異ならせ、突部を最小化できる。また、突部は、非対称性を低減するのではなく、非対称性を拡大するために利用されてもよい。
突部は、全ての駆動腕及び検出腕に対して設けられている必要はない。例えば、センサの検出感度等に照らして、残渣の影響が大きい腕についてのみ設けられてもよい。例えば、駆動腕のみについて設けられたり、検出腕のみについて設けられたり、複数の駆動腕の一部についてのみ設けられたりしてもよい。
また、例えば、図3(a)において、第2本体部側残渣21Bが第1本体部側残渣21Aに対して極端に大きい場合に、その差に相当する質量の突部11e及び第1突部側残渣23Aが第1駆動腕11Aに形成されるようにし、第2駆動腕11Bに突部11eを設けないようにしてもよい。同様に、例えば、図3(b)において、第2本体部側残渣25Bが第1本体部側残渣25Aに対して極端に大きい場合に、その差に相当する質量の突部13e及び第1突部側残渣27Aが幅広部13dのx軸方向負側に形成されるようにし、幅広部13dのx軸方向正側に突部13eを設けないようにしてもよい。ただし、線対称の形状の2本の腕の双方、又は、側方両側に広がる幅広部の両側に突部が形成されれば、簡便に対称性を確保することができるし、どのような形状又は大きさの残渣が生じるかをさほど意識せずに一律に対処することができる。
突部は、本体部に対して平行でなくてもよいし、直方体状でなくてもよい。突部の側面と、幅広部の基部側の面とが成す凹状の角部に残渣を生じさせることができればよい。突部の長さ等の各種の寸法も、残渣が生じる限り、適宜に設定されてよい。ただし、本体部の根元に生じる残渣と同等の残渣を生じさせる観点からは、突部は、本体部の根元に生じる残渣よりも突出する長さを有していることが好ましい。突部の幅は、比較的大きくされてもよく、例えば、本体部の幅よりも大きくてもよいし、本体部との間に残渣が架け渡されるほどに大きくてもよい。
幅広部の側方端に位置する突部は、厳密に側方端に位置している必要はない。すなわち、突部の、本体部とは反対側の側面は、幅広部の側面と連続している必要はない。突部の側面と幅広部の側面との間に微小な段差(例えば2μm未満)があったとしても、その段差によって残渣が生じない、又は、その段差によって生じた残渣が突部の本体部側に生じた残渣に比較して極めて小さければ(例えば1/10未満)、本願発明の思想を利用しているといえる。
なお、本願明細書からは、突部を要件としない以下の別発明を抽出可能である。
(別発明)
基部と、平面視において前記基部から延びる1以上の駆動腕及び1以上の検出腕を含む複数の腕と、を有する圧電体と、
前記駆動腕の表面に設けられた励振電極と、
前記検出腕の表面に設けられた検出電極と、
を有し、
前記複数の腕の少なくとも1つは、平面視において、
前記基部から延びる本体部と、
前記本体部の先端に位置し、前記本体部よりも幅広に形成された幅広部と、を有し、
前記幅広部は、平面視において前記本体部に対して側方両側のうち一方側にのみ広がっている
センサ素子。
この別発明においては、例えば、腕の質量を確保しつつ、幅広部とは反対側に他の腕、又は、他の部材を近づけることができる。その結果、例えば、腕同士の相互影響を強くしたり、圧電体若しくは角速度センサを小型化したりできる。