JPWO2012090452A1

JPWO2012090452A1 - 角速度センサ

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Publication number: JPWO2012090452A1
Application number: JP2012550717A
Authority: JP
Inventors: 藤井　剛; 剛藤井; 賢作山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: CN103250028A; KR20140001223A; US9303993B2; US10119821B2; US20130239681A1; JP6078901B2; US20160195395A1; WO2012090452A1

Abstract

角速度センサは、ＸＹＺ空間で定義される形状を有してかつＺ軸の周りの角速度を検出できる検出素子を備える。検出素子は、Ｘ軸の方向に延びる支持体と、支持体に接続されたアームと、そのアームに接続された錘とを有する。アームは、支持体に接続された第１の端と、アームに接続された第２の端とを有する。アームは、第１の端からＹ軸の方向に第１の角部まで延びる第１のアーム部と、第１の角部からＸ軸の方向に第２の角部まで延びる第２のアーム部と、第２の角部からＹ軸の方向に第２の端まで延びる第３のアーム部とからなるＪ字形状を実質的に有する。アームのＸ軸の方向の長さは錘のＸ軸の方向の長さよりも大きい。この角速度センサは、Ｚ軸周りの角速度に対する感度を向上させることができる。

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に関する。

図１１は従来の角速度センサの検出素子１０１の上面図である。検出素子１０１は、ＸＹＺ空間において、Ｘ軸方向に延伸した支持体１０２と、支持体１０２に一端１０３Ａが接続されたアーム１０３と、アーム１０３の他端１０３Ｄに接続された錘１９９とを備える。アーム１０３の一端１０３Ａは支持体１０２の側面に接続されている。アーム１０３は角部１０３Ｂ、１０３Ｃを有するＪ字形状を有する。錘１９９はＸＹ平面内で駆動振動される。

検出素子１０１を備えた角速度センサと類似する従来の角速度センサは、例えば、特許文献１に開示されている。

検出素子１０１ではＺ軸の周りの角速度の検出感度を向上させることが困難である。

特開２００８−４６０５８号公報

角速度センサは、ＸＹＺ空間で定義される形状を有してかつＺ軸の周りの角速度を検出できる検出素子を備える。検出素子は、Ｘ軸の方向に延びる支持体と、支持体に接続されたアームと、そのアームに接続された錘とを有する。アームは、支持体に接続された第１の端と、アームに接続された第２の端とを有する。アームは、第１の端からＹ軸の方向に第１の角部まで延びる第１のアーム部と、第１の角部からＸ軸の方向に第２の角部まで延びる第２のアーム部と、第２の角部からＹ軸の方向に第２の端まで延びる第３のアーム部とからなるＪ字形状を実質的に有する。アームのＸ軸の方向の長さは錘のＸ軸の方向の長さよりも大きい。

この角速度センサは、Ｚ軸周りの角速度に対する感度を向上させることができる。

図１は本発明の実施の形態１における角速度センサの検出素子の上面図である。図２は図１に示す検出素子の線２−２における断面図である。図３は実施の形態１における検出素子の駆動振動と検出振動を示す上面図である。図４は実施の形態２における角速度センサの検出素子の上面図である。図５は実施の形態２における検出素子の駆動振動を示す上面図である。図６は実施の形態３における角速度センサの検出素子の上面図である。図７は実施の形態３における他の角速度センサの他の検出素子の上面図である。図８は実施の形態４における角速度センサの検出素子の上面図である。図９は実施の形態４における角速度センサの他の検出素子の上面図である。図１０は実施の形態４における角速度センサのさらに他の検出素子の上面図である。図１１は従来の角速度センサの検出素子の上面図である。

（実施の形態１）
図１は実施の形態１における角速度センサの検出素子１の上面図である。図１において互いに直角のＸ軸とＹ軸とＺ軸とを定義する。角速度センサは、Ｚ軸の周りの角速度を検出する検出素子１を備える。検出素子１はＸＹＺ空間で定義される形状を有する。検出素子１は、Ｘ軸方向に延伸した支持体８と、支持体８の側面に接続された端３Ａを有するアーム３と、端３Ａの反対側のアーム３の端３Ｄに接続された錘４とを備える。アーム３は角部３Ｂ、３Ｃを有するＪ字形状を実質的に有する。アーム３のＸ軸の方向の長さＷ１は錘４のＸ軸の方向の長さＷ２よりも大きい。

実施の形態１における角速度センサでは、検出素子１の駆動振動の共振周波数とＺ軸周りの角速度検出振動の共振周波数を近づけることが出来るので、検出素子１のＺ軸周りの角速度の検出感度を向上させることができる。

図１１に示す従来の検出素子１０１においては、アーム１０３のＸ軸方向の長さＷ１０１が錘１９９のＸ軸方向の長さＷ１０２に比べて小さい。このような場合には、検出素子１０１の駆動振動の共振周波数とＺ軸周りの角速度が加わった際の検出振動の共振周波数とが離れているので、検出素子１０１のＺ軸周りの角速度の検出感度を向上させることが困難であることを発明者は見出した。

実施の形態１における角速度センサの検出素子１の構成を詳細に説明する。

支持体８は検出素子１を支持する固定部材である。支持体８は、検出素子１を格納するパッケージに別の支持部材や接着剤等を用いて固定される。

アーム３は、支持体８の側面に端３Ａから、錘４に接続された端３Ｄまで延びる。具体的には、アーム３は、Ｙ軸の正方向Ｙ１に端３Ａから角部３Ｂまで延びるアーム部３Ｅと、Ｘ軸の正方向Ｘ１に角部３Ｂから角部３Ｃまで延びるアーム部３Ｆと、Ｙ軸の負方向Ｙ２に角部３Ｃから端３Ｄまで延びるアーム部３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム３および錘４はＸ軸とＹ軸とを含むＸＹ平面内で駆動振動させることが出来、かつ、Ｚ軸方向に撓ませることが出来る。

支持体８、アーム３及び錘４は、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し、シリコン、ダイアモンド、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。特に、シリコンを用いることにより、微細加工技術を用いて非常に小型に検出素子１を形成することが可能になるとともに、回路等のＩＣと一体に形成することも可能となる。

支持体８、アーム３及び錘４は、それぞれ異なる材料又は同一の材料から形成した後に組み立てて形成しても良いし、同一の材料を用いて一体に形成しても良い。同一の材料を用いて一体に形成する場合は、ドライエッチング又は、ウェットエッチングを用いることにより、支持体８、アーム３及び錘４を同一プロセスで形成することが出来るため、効率的に検出素子１を製造することができる。

アーム３のアーム部３Ｅには、Ｊ字形状の内周側と外周側に位置する２つの駆動部５が設けられている。２つの駆動部５に互いに逆位相の電圧を印加することによって、アーム３と錘４をＸＹ平面内に振動させることができる。実施の形態１においては、駆動部５にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）よりなるピエゾ素子を用いた圧電方式を採用しているが、電極間の静電容量を利用した静電方式を用いることも出来る。

図２は図１に示す検出素子１の線２−２における断面図であり、駆動部５を示す。駆動部５は、アーム３上に設けられた下部電極１１Ａと、下部電極１１Ａ上に設けられたピエゾ素子１１Ｂと、ピエゾ素子１１Ｂ上に設けられた上部電極１１Ｃとを有し、ピエゾ素子１１Ｂは下部電極１１Ａ及び上部電極１１Ｃで挟まれている。下部電極１１Ａ及び上部電極１１Ｃとして、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、アルミ（Ａｌ）又はこれらを主成分とした合金又は酸化物を用いることが出来る。なお、下部電極１１Ａとして白金（Ｐｔ）を用いることが望ましい。これにより、ＰＺＴを一方向に配向させることができる。ここで、下部電極１１Ａに基準電位を印加する。上部電極１１Ｃに互いに逆位相の交流の駆動電圧を印加することにより、アーム３をＸＹ平面内で振動させることが出来る。なお、下部電極１１Ａに基準電位を印加せず、下部電極１１Ａ及び上部電極１１Ｃにともに交流の駆動電圧を印加しても良い。これにより、大きい振幅でアーム３と錘４を振動させることができ、駆動効率を改善することが出来る。

アーム３のアーム部３Ｆには、Ｊ字形状の内周側と外周側に位置する２つの検出部６が設けられている。検出部６は、アーム３に角速度が加わった際の変形を検出することで錘４の振動を検出する。検出部６はピエゾ素子を用いた圧電方式を採用しているが、電極間の静電容量を利用した静電方式を用いることも出来る。ピエゾ素子を用いた圧電方式を採用する場合には、駆動部５と同様の構造の、ピエゾ素子を下部電極及び上部電極で挟んで形成することができる。

以下、実施の形態１における角速度センサの動作について説明する。

図３は検出素子１の駆動振動と検出振動を示す上面図である。外部の駆動回路から駆動部５に駆動振動の共振周波数の交流電圧が印加されると、アーム３と錘４が駆動振動方向Ｄ１に沿ってＸＹ平面内で駆動振動する。このとき、Ｚ軸の周りに角速度が加わると、駆動振動方向Ｄ１と直交した方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって、検出振動方向Ｄ２に駆動振動と同調した検出振動が錘４に発生する。検出振動により発生したアーム３の歪みを検出部６でアーム３の変形として検出することによって角速度を検出する。

検出振動方向Ｄ２の検出振動共振周波数は、駆動振動方向Ｄ１の駆動振動共振周波数の近傍に設定することが望ましい。これは、角速度が加わった際に発生する検出振動は駆動振動と同調するので、検出振動の共振周波数が駆動振動の共振周波数に近ければ、それだけ検出振動が大きく励起されやすいためである。

図３に示すように、駆動振動方向Ｄ１と検出振動方向Ｄ２は異なるので、一般的には駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数とを近づけるのが困難である。例えば、図１１に示す従来の検出素子１０１の駆動振動共振周波数を４０ｋＨｚ程度に設計すると、検出振動共振周波数は６５ｋＨｚ付近になり、互いの共振周波数が２５ｋＨｚも離れてしまう。このため、従来の検出素子１０１ではＺ軸周りの角速度に対する感度が低くなる。

実施の形態１における検出素子１では、図１に示すように、アーム３のＸ軸方向の長さＷ１は、錘のＸ軸方向の長さＷ２よりも大きい。これによってアーム３の角部３Ｃ付近の剛性が小さくなる。角部３ＣにはＺ軸周りの角速度の印加時の検出共振振動時に応力が集中しやすいので、角部３Ｃでの剛性を小さくすることで、Ｚ軸周り角速度の印加時の検出共振振動の共振周波数を下げることが可能になる。実施の形態１における検出素子１では、駆動振動共振周波数４０ｋＨｚに対して、検出振動共振周波数は４５ｋＨｚ程度の設計が可能になり、共振周波数の差を５ｋＨｚ以内に収めることが出来る。これによって、従来の検出素子１に比べて約５倍のＺ軸周りの角速度の感度が得られる。

図１に示すように、アーム部３ＦのＹ軸の方向の幅ＷＦは、アーム部３ＥのＸ軸の方向の幅ＷＥよりも小さくすることが好ましい。この構成により、角部３Ｃ付近の剛性を下げることが出来るので、駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数とを近づけることが出来る。また、アーム部３ＧのＸ軸の方向の幅ＷＧは、アーム部３ＦのＹ軸方向の幅ＷＦよりも小さくすることでも角部３Ｃ付近の剛性を下げることが出来るので、駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数とを近づけることが出来る。また、角部３Ｂの内周の曲率半径を角部３Ｃの内周の曲率半径よりも大きくしてもよく、これによっても角部３Ｃ付近の剛性を下げることが出来るので、駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数とを近づけることが出来る。これらの構成はそれぞれ単独でも効果が得られるが、組み合わせることによってさらに駆動振動共振周波数と検出振動共振周波数とを近づけることが出来、その結果、Ｚ軸周りの角速度の感度をさらに高めることが出来る。

なお、図３に示す駆動振動方向Ｄ１にアーム３と錘４とを駆動振動させた場合、アーム部３Ｅに歪みが集中しやすい。従って、アーム部３Ｅに駆動部５を設けることにより駆動効率を改善することができる。

同様に、図３に示す検出振動方向Ｄ２にアーム３と錘４とを検出振動させた場合、アーム部３Ｆに歪みが集中しやすい。従って、アーム部３Ｆに検出部６を設けることにより、検出効率を改善することができる。

アーム３の端３Ｄは錘４のＹ軸の方向の幅の実質的に中央に接続されている。

また、アーム３の端３Ｄは錘４のＸ軸の正方向Ｘ１の端に接続されている。この構成により錘４がアーム３のＪ字形状の内側に収まるので、小型の検出素子１が得られる。

（実施の形態２）
図４は実施の形態２における角速度センサの検出素子１０の上面図である。図４において図１から図３に示す検出素子１と同じ部分には同じ参照番号を付す。

実施の形態２における角速度センサは、角速度を検出する検出素子１０を備える。検出素子１０は、Ｙ軸の方向に延びる２つの縦梁７と、Ｘ軸の方向に延伸する横梁である支持体８と、支持体８からＹ軸の正方向Ｙ１に位置する振動部９Ａ、９Ｂと、支持体８からＹ軸の負方向Ｙ２に位置する振動部９Ｃ、９Ｄとを備える。支持体８の両端部８Ａ、８Ｂは２つの縦梁７の略中央部にそれぞれ接続されている。

振動部９Ｂは、図１〜図３に示す実施の形態１における検出素子１と同様に、支持体８の側面に接続されたアーム３と、アーム３の端３Ｄに接続された錘４とを備える。実施の形態１と同様に、アーム３のＸ軸の方向の長さは、錘４のＸ軸の方向の長さよりも大きい。振動部９Ａは、支持体８に接続されたアーム５３と、アーム５３に接続された錘５４とを備える。振動部９Ｃは、支持体８に接続されたアーム６３と、アーム６３に接続された錘６４とを備える。振動部９Ｄは、支持体８に接続されたアーム７３と、アーム７３に接続された錘７４とを備える。アーム５３、６３、７３は図１に示す実施の形態１におけるアーム３と同様の形状を有している。アーム３、５３、６３、７３は支持体８の中央に位置する中間部８Ｃに接続されている。錘５４、６４、７４は図１に示す実施の形態１における錘４と同様の形状を有している。

すなわち、アーム５３は、支持体８の中間部８Ｃに接続された端５３Ａと、端５３Ａの反対側の端５３Ｄとを有する。錘５４はアーム５３の端５３Ｄに接続されている。アーム５３は、端５３ＡからＹ軸の正方向Ｙ１に角部５３Ｂまで延びるアーム部５３Ｅと、角部５３ＢからＸ軸の負方向Ｘ２に角部５３Ｃまで延びるアーム部５３Ｆと、角部５３ＣからＹ軸の負方向Ｙ２に端５３Ｄまで延びるアーム部５３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム５３のＸ軸の方向の長さは錘５４のＸ軸の方向の長さよりも大きい。アーム部５３ＦのＹ軸の方向の幅はアーム部５３ＥのＸ軸の方向の幅よりも小さい。アーム部５３ＧのＸ軸の方向の幅はアーム部５３ＦのＹ軸の幅よりも小さい。角部５３Ｂの内周の曲率半径は角部５３Ｃの内周の曲率半径よりも大きい。

同様に、アーム６３は、支持体８の中間部８Ｃに接続された端６３Ａと、端６３Ａの反対側の端６３Ｄとを有する。錘６４はアーム６３の端６３Ｄに接続されている。アーム６３は、端６３ＡからＹ軸の負方向Ｙ２に角部６３Ｂまで延びるアーム部６３Ｅと、角部６３ＢからＸ軸の負方向Ｘ２に角部６３Ｃまで延びるアーム部６３Ｆと、角部６３ＣからＹ軸の正方向Ｙ１に端６３Ｄまで延びるアーム部６３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム６３のＸ軸の方向の長さは錘６４のＸ軸の方向の長さよりも大きい。アーム部６３ＦのＹ軸の方向の幅はアーム部６３ＥのＸ軸の方向の幅よりも小さい。アーム部６３ＧのＸ軸の方向の幅はアーム部６３ＦのＹ軸の幅よりも小さい。角部６３Ｂの内周の曲率半径は角部６３Ｃの内周の曲率半径よりも大きい。

同様に、アーム７３は、支持体８の中間部８Ｃに接続された端７３Ａと、端７３Ａの反対側の端７３Ｄとを有する。錘７４はアーム７３の端７３Ｄに接続されている。アーム７３は、端７３ＡからＹ軸の負方向Ｙ２に角部７３Ｂまで延びるアーム部７３Ｅと、角部７３ＢからＸ軸の正方向Ｘ１に角部７３Ｃまで延びるアーム部７３Ｆと、角部７３ＣからＹ軸の正方向Ｙ１に端７３Ｄまで延びるアーム部７３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム７３のＸ軸の方向の長さは錘７４のＸ軸の方向の長さよりも大きい。アーム部７３ＦのＹ軸の方向の幅はアーム部７３ＥのＸ軸の方向の幅よりも小さい。アーム部７３ＧのＸ軸の方向の幅はアーム部７３ＦのＹ軸の幅よりも小さい。角部７３Ｂの内周の曲率半径は角部７３Ｃの内周の曲率半径よりも大きい。

アーム３の端３Ｄは錘４のＹ軸の方向の幅の実質的に中央に接続されている。同様に、アーム５３、６３、７３は錘５４、６４、７４のＹ軸の方向の幅の実質的に中央にそれぞれ接続されている。

アーム５３のアーム部５３Ｅとアーム部５３Ｆには、図１と図２に示す実施の形態１における駆動部５と検出部６と同様の駆動部５５と検出部５６とがそれぞれ設けられている。駆動部５５はアーム５３を駆動してアーム５３と錘５４をＸＹ平面内で振動させる。検出部５６はアーム５３の振動を検出して錘５４の振動を検出する。アーム６３のアーム部６３Ｅとアーム部６３Ｆには、図１と図２に示す実施の形態１における駆動部５と検出部６と同様の駆動部６５と検出部６６とがそれぞれ設けられている。駆動部６５はアーム６３を駆動してアーム６３と錘６４をＸＹ平面内で振動させる。検出部６６はアーム６３の振動を検出して錘６４の振動を検出する。アーム７３のアーム部７３Ｅとアーム部７３Ｆには、図１と図２に示す実施の形態１における駆動部５と検出部６と同様の駆動部７５と検出部７６とがそれぞれ設けられている。駆動部７５はアーム７３を駆動してアーム７３と錘７４をＸＹ平面内で振動させる。検出部７６はアーム７３の振動を検出して錘７４の振動を検出する。

４つの振動部９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９ＤはＸ軸、Ｙ軸について対称に作られている。すなわち、振動部９Ａ、９Ｂは支持体８の中間部８Ｃを通ってＹ軸に平行な中心軸ＡＹに関して互いに対称に設けられている。振動部９Ｃ、９Ｄは中心軸ＡＹに関して互いに対称に設けられている。また、振動部９Ａ、９Ｃは支持体８の中間部８Ｃを通りＸ軸に平行な中心軸ＡＸに関して互いに対称に設けられている。振動部９Ｂ、９Ｄは中心軸ＡＸに関して互いに対称に設けられている。

２本の縦梁７は検出素子１０を支持する固定部材であり、検出素子１０を格納するパッケージに別の支持部材や接着剤等を用いて固定される。図４に示すように、検出素子１０は、２つ縦梁７の端にそれぞれ接続された２つの横梁５７を有していてもよい。２つの縦梁７と２つの横梁５７は枠形状の固定部材を構成する。

アーム３、７３は錘４、７４のＸ軸の正方向Ｘ１の端にそれぞれ接続されている。また、アーム５３、６３は錘５４、６４のＸ軸の負方向Ｘ２の端にそれぞれ接続されている。この構成により錘４、５４，６４、７４がアーム３、５３、６３、７３のＪ字形状の内側に収まるので、２つの縦梁７と２つの横梁５７からなる枠形状を小さくすることができ、小型の検出素子１０が得られる。

支持体８は縦梁７と振動部９Ａ〜９Ｄを接続し、対称性の観点から、縦梁７の中央部に接続されるのが望ましい。縦梁７及び支持体８は、実施の形態１と同様に、振動部９Ａ〜９Ｄと同一の材料を用いて一体に形成すると、効率的に製造することができる。

図５は検出素子１０の駆動振動を示す上面図である。検出素子１０の振動部９Ａ〜９Ｄでは、駆動部５、５５、６５、７５に交流信号を印加することでアーム３、５３、６３、７３を駆動振動方向Ｄ１に駆動振動させることにより錘４、５４、６４、７４をＸＹ平面内で駆動振動方向Ｄ１に振動させることができる。図５に示すように、４つの振動部９Ａ〜９Ｄの振動はＸＹ平面内で互いに打ち消しあい、検出素子１０の外部に漏れる振動を低減させることができる。特に、振動部９Ａ〜９Ｄ、縦梁７及び支持体８を中心軸ＡＸ、ＡＹ軸に関して対称に設計することで、原理上完全に漏れ振動をなくすことができる。これによって、漏れ振動による駆動振動のＱ値の低減も防ぐことが出来るうえに、検出部６で不要な信号を拾うことを防ぐことが出来る。

以上のように４つの振動部９Ａ〜９Ｄを有する検出素子１０は、振動のＱ値の低減を防ぐことが出来るので駆動効率が高く、かつ、不要な信号を拾いにくい精度の高い角速度センサを実現することができる。

（実施の形態３）
図６は実施の形態３における角速度センサの検出素子１１０の上面図である。図６において、図１に示す実施の形態１における検出素子１と同じ部分には同じ参照番号を付す。

図１に示す実施の形態１における検出素子１では、アーム３の端３Ｄは錘４のＹ軸の方向の幅の実質的に中央に接続されている。

図６に示す実施の形態３における検出素子１１０では、アーム３の端３Ｄは錘４のＹ軸の負方向Ｙ２の端に接続されている。この構造により、角部３Ｃから端３Ｄまで延びるアーム部３ＧのＹ軸の方向の長さを錘４のＹ軸の方向の幅の１／２以上にすることができ。これにより駆動振動の共振周波数と検出振動の共振周波数とをより近づけることができ、検出振動の振幅が大きくなり角速度センサのＺ軸の周りの角速度に対する感度を高くすることができる。

図７は実施の形態３における角速度センサの他の検出素子２１０の上面図である。図７において、図６に示す検出素子１１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図７に示す検出素子２１０は、図６に示す検出素子１１０の駆動部５と検出部６の代わりに駆動部１８５、２８５、３８５、４８５と検出部１８６、２８６、４８６を備え、モニタ部３８６をさらに備える。駆動部１８５、２８５、３８５、４８５と検出部１８６、２８６、４８６とモニタ部３８６は図２に示す実施の形態１における駆動部５と同様の構造を有する。

駆動部１８５、２８５はアーム３の端３Ａの近傍からアーム部３Ｅを経て角部３Ｂを越えてアーム部３Ｆまでアーム３に沿って延びている。駆動部１８５はアーム３のＪ字形状の外周側に設けられている。駆動部１８５に比べて駆動部２８５はＪ字形状の内周側に位置している。検出部１８６、２８６はアーム３の端３Ｄの近傍からアーム部３Ｇを経て角部３Ｃを越えてアーム部３Ｆまでアーム３に沿って延びている。検出部１８６はアーム３のＪ字形状の外周側に設けられている。検出部１８６に比べて検出部２８６はＪ字形状の内周側に位置している。

駆動部３８５、４８５はアーム部３Ｆに沿ってアーム部３Ｆに設けられている。駆動部３８５はアーム３のＪ字形状の外周側に設けられている。駆動部３８５に比べて駆動部４８５はＪ字形状の内周側に位置している。モニタ部３８６と検出部４８６はアーム部３Ｆに沿ってアーム部３Ｆに設けられている。モニタ部３８６はアーム３のＪ字形状の外周側に設けられている。モニタ部３８６に比べて検出部４８６はＪ字形状の内周側に位置している。駆動部３８５とモニタ部３８６は駆動部１８５と検出部１８６の間に位置し、駆動部４８５と検出部４８６は駆動部２８５と検出部２８６の間に位置している。モニタ部３８６は駆動部１８５と駆動部３８５の間に位置し、検出部４８６は駆動部２８５と駆動部４８５の間に位置している。

駆動部１８５、２８５、３８５、４８５は図１に示す駆動部５と同様に動作する。検出部１８６、２８６、４８６は図１に示す検出部６と同様に動作する。モニタ部３８６は錘４の駆動振動に同期する信号を出力する。錘４が一定の振幅と周波数で駆動振動するように、駆動回路はその信号に応じて駆動部１８５、２８５、３８５、４８５に印加する交流電圧を制御する。検出素子２１０は、Ｚ軸の周りの角速度をさらに高感度で安定に検出することができる。

（実施の形態４）
図８は実施の形態４における角速度センサの検出素子３１０の上面図である。図８において、図４に示す実施の形態２における検出素子１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。

図８に示す検出素子３１０は、図４に示す実施の形態２における検出素子１０の錘４、５４、６４、７４の代わりに錘１０４、１５４、１６４、１７４を備える。錘１０４、１５４、１６４、１７４は、錘１０４、１５４、１６４、１７４のＸ軸の方向の中央部でアーム３、５３、６３、７３の端３Ｄ、５３Ｄ、６３Ｄ、７３Ｄにそれぞれ接続されている。アーム３（５３、６３、７３）のＸ軸の方向の長さＷ１は錘１０４（１５４、１６４、１７４）のＸ軸の方向の長さＷ１０２よりも大きい。

アーム５３、３、６３、７３と錘１５４、１０４、１６４、１７４は振動部１０９Ａ、１０９Ｂ、１０９Ｃ、１０９Ｄをそれぞれ構成する。４つの振動部１０９Ａ、１０９Ｂ、１０９Ｃ、１０９ＤはＸ軸、Ｙ軸について対称に作られている。すなわち、振動部１０９Ａ、１０９Ｂは支持体８の中間部８Ｃを通ってＹ軸に平行な中心軸ＡＹに関して互いに対称に設けられている。振動部１０９Ｃ、１０９Ｄは中心軸ＡＹに関して互いに対称に設けられている。また、振動部１０９Ａ、１０９Ｃは支持体８の中間部８Ｃを通りＸ軸に平行な中心軸ＡＸに関して互いに対称に設けられている。振動部１０９Ｂ、１０９Ｄは中心軸ＡＸに関して互いに対称に設けられている。

検出素子３１０は実施の形態２における検出素子と、Ｚ軸の周りの角速度に対する感度に関して同様の効果を有する。

図９は実施の形態４における他の角速度センサの検出素子４１０の上面図である。図９において、図４に示す実施の形態２における検出素子１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。

図９に示す検出素子４１０は、図４に示す検出素子１０の支持体８の代わりに支持体２０８を備えており、図４に示す検出素子１０の２つの縦梁７と２つの横梁５７とを備えていない。図４に示す検出素子１０は、２つの縦梁７と２つの横梁５７で構成される枠形状の固定部材で支持される。図９に示す検出素子４１０は、支持体２０８が固定部材と支持されることで検出素子４１０を支持する。アーム３、５３、６３、７３は支持体２０８の中間部２０８Ｃに接続されている。図９に示す支持体２０８のＹ軸の方向の幅は図４に示す支持体８のそれより大きい。これにより４つのアーム３、５３、６３、７３と４つの錘４、５４、６４、７４とを備える検出素子４１０を強固に支持することができる。

図１０は実施の形態４におけるさらに他の角速度センサの検出素子５１０の上面図である。図１０において、図４に示す実施の形態２における検出素子１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。

図４に示す検出素子１０では、アーム３、５３、６３、７３の端３Ａ、５３Ａ、６３Ａ、７３Ａは支持体８の中間部８Ｃに接続されている。図１０に示す検出素子５１０では、アーム部５３、６３の端５３Ａ、６３Ａは支持体８の縦梁７に接続されている端部８Ａに接続され、アーム部３、７３の端３Ａ、７３Ａは支持体８の縦梁７に接続されている端部８Ｂに接続されている。

図１０に示す検出素子５１０では、アーム３、５３、６３、７３のＪ字形状が、図４に示す検出素子１０のそれの裏返しになっている。すなわち、アーム５３は、端５３ＡからＹ軸の正方向Ｙ１に角部５３Ｂまで延びるアーム部５３Ｅと、角部５３ＢからＸ軸の正方向Ｘ１に角部５３Ｃまで延びるアーム部５３Ｆと、角部５３ＣからＹ軸の負方向Ｙ２に端５３Ｄまで延びるアーム部５３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム３は、端３ＡからＹ軸の正方向Ｙ１に角部３Ｂまで延びるアーム部３Ｅと、角部３ＢからＸ軸の負方向Ｘ２に角部５３Ｃまで延びるアーム部３Ｆと、角部３ＣからＹ軸の負方向Ｙ２に端３Ｄまで延びるアーム部３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム６３は、端６３ＡからＹ軸の負方向Ｙ２に角部６３Ｂまで延びるアーム部６３Ｅと、角部６３ＢからＸ軸の正方向Ｘ１に角部６３Ｃまで延びるアーム部６３Ｆと、角部６３ＣからＹ軸の正方向Ｙ１に端６３Ｄまで延びるアーム部６３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム７３は、端７３ＡからＹ軸の負方向Ｙ２に角部７３Ｂまで延びるアーム部７３Ｅと、角部７３ＢからＸ軸の負方向Ｘ２に角部７３Ｃまで延びるアーム部７３Ｆと、角部７３ＣからＹ軸の正方向Ｙ１に端７３Ｄまで延びるアーム部７３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。

検出素子５１０の振動部９Ａ〜９Ｄでは、駆動部に交流信号を印加することでアーム３、５３、６３、７３を駆動振動方向Ｄ３０１に駆動振動させることにより錘４、５４、６４、７４をＸＹ平面内で駆動振動方向Ｄ１に振動させることができる。図１０に示すように、４つの振動部９Ａ〜９Ｄの振動はＸＹ平面内で互いに打ち消しあい、検出素子１０の外部に漏れる振動を低減させることができる。特に、振動部９Ａ〜９Ｄ、縦梁７及び支持体８を中心軸ＡＸ、ＡＹ軸に関して対称に設計することで、原理上完全に漏れ振動をなくすことができる。これによって、漏れ振動による駆動振動のＱ値の低減も防ぐことが出来るうえに、検出部で不要な信号を拾うことを防ぐことが出来る。

以上のように、図１０に示す検出素子５１０は、図４に示す検出素子１０と同様に振動のＱ値の低減を防ぐことが出来るので駆動効率が高く、かつ、不要な信号を拾いにくい精度の高い角速度センサを実現することができる。

本発明に関する角速度センサは高感度で角速度を検出できるので、携帯端末用途から車両制御用途まで適用できる。

１検出素子
３アーム（第１のアーム）
３Ａ端（第１の端）
３Ｂ角部（第１の角部）
３Ｃ角部（第２の角部）
３Ｄ端（第２の端）
３Ｅアーム部（第１のアーム部）
３Ｆアーム部（第２のアーム部）
３Ｇアーム部（第３のアーム部）
４錘（第１の錘）
５駆動部（第１の駆動部）
６検出部（第１の検出部）
７縦梁（第１の縦梁、第２の縦梁）
８支持体
９Ａ振動部（第２の振動部）
９Ｂ振動部（第１の振動部）
９Ｃ振動部（第４の振動部）
９Ｄ振動部（第３の振動部）
５３アーム（第２のアーム）
５３Ａ端（第３の端）
５３Ｂ角部（第３の角部）
５３Ｃ角部（第４の角部）
５３Ｄ端（第４の端）
５３Ｅアーム部（第４のアーム部）
５３Ｆアーム部（第５のアーム部）
５３Ｇアーム部（第６のアーム部）
５４錘（第２の錘）
５５駆動部（第２の駆動部）
５６検出部（第２の検出部）
６３アーム（第４のアーム）
６３Ａ端（第７の端）
６３Ｂ角部（第７の角部）
６３Ｃ角部（第８の角部）
６３Ｄ端（第８の端）
６３Ｅアーム部（第１０のアーム部）
６３Ｆアーム部（第１１のアーム部）
６３Ｇアーム部（第１２のアーム部）
６４錘（第４の錘）
６５駆動部（第４の駆動部）
６６検出部（第４の検出部）
７３アーム（第３のアーム）
７３Ａ端（第５の端）
７３Ｂ角部（第５の角部）
７３Ｃ角部（第６の角部）
７３Ｄ端（第６の端）
７３Ｅアーム部（第７のアーム部）
７３Ｆアーム部（第８のアーム部）
７３Ｇアーム部（第９のアーム部）
７４錘（第３の錘）
７５駆動部（第３の駆動部）
７６検出部（第３の検出部）
ＡＸ中心軸（第２の中心軸）
ＡＹ中心軸（第１の中心軸）

角速度センサは、ＸＹＺ空間で定義される形状を有してかつＺ軸の周りの角速度を検出できる検出素子を備える。検出素子は、Ｘ軸の方向に延びる支持体と、支持体に接続されたアームと、そのアームに接続された錘とを有する。アームは、支持体に接続された第１の端と、錘に接続された第２の端とを有する。アームは、第１の端からＹ軸の方向に第１の角部まで延びる第１のアーム部と、第１の角部からＸ軸の方向に第２の角部まで延びる第２のアーム部と、第２の角部からＹ軸の方向に第２の端まで延びる第３のアーム部とからなるＪ字形状を実質的に有する。アームのＸ軸の方向の長さは錘のＸ軸の方向の長さよりも大きい。

アーム３は、支持体８の側面に接続された端３Ａから、錘４に接続された端３Ｄまで延びる。具体的には、アーム３は、Ｙ軸の正方向Ｙ１に端３Ａから角部３Ｂまで延びるアーム部３Ｅと、Ｘ軸の正方向Ｘ１に角部３Ｂから角部３Ｃまで延びるアーム部３Ｆと、Ｙ軸の負方向Ｙ２に角部３Ｃから端３Ｄまで延びるアーム部３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム３および錘４はＸ軸とＹ軸とを含むＸＹ平面内で駆動振動させることが出来、かつ、Ｚ軸方向に撓ませることが出来る。

図４に示す検出素子１０では、アーム３、５３、６３、７３の端３Ａ、５３Ａ、６３Ａ、７３Ａは支持体８の中間部８Ｃに接続されている。図１０に示す検出素子５１０では、アーム５３、６３の端５３Ａ、６３Ａは支持体８の縦梁７に接続されている端部８Ａに接続され、アーム３、７３の端３Ａ、７３Ａは支持体８の縦梁７に接続されている端部８Ｂに接続されている。

図１０に示す検出素子５１０では、アーム３、５３、６３、７３のＪ字形状が、図４に示す検出素子１０のそれの裏返しになっている。すなわち、アーム５３は、端５３ＡからＹ軸の正方向Ｙ１に角部５３Ｂまで延びるアーム部５３Ｅと、角部５３ＢからＸ軸の正方向Ｘ１に角部５３Ｃまで延びるアーム部５３Ｆと、角部５３ＣからＹ軸の負方向Ｙ２に端５３Ｄまで延びるアーム部５３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム３は、端３ＡからＹ軸の正方向Ｙ１に角部３Ｂまで延びるアーム部３Ｅと、角部３ＢからＸ軸の負方向Ｘ２に角部３Ｃまで延びるアーム部３Ｆと、角部３ＣからＹ軸の負方向Ｙ２に端３Ｄまで延びるアーム部３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム６３は、端６３ＡからＹ軸の負方向Ｙ２に角部６３Ｂまで延びるアーム部６３Ｅと、角部６３ＢからＸ軸の正方向Ｘ１に角部６３Ｃまで延びるアーム部６３Ｆと、角部６３ＣからＹ軸の正方向Ｙ１に端６３Ｄまで延びるアーム部６３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。アーム７３は、端７３ＡからＹ軸の負方向Ｙ２に角部７３Ｂまで延びるアーム部７３Ｅと、角部７３ＢからＸ軸の負方向Ｘ２に角部７３Ｃまで延びるアーム部７３Ｆと、角部７３ＣからＹ軸の正方向Ｙ１に端７３Ｄまで延びるアーム部７３ＧとからなるＪ字形状を実質的に有する。

検出素子５１０の振動部９Ａ〜９Ｄでは、駆動部に交流信号を印加することでアーム３、５３、６３、７３を駆動振動方向Ｄ３０１に駆動振動させることにより錘４、５４、６４、７４をＸＹ平面内で駆動振動方向Ｄ３０１に振動させることができる。図１０に示すように、４つの振動部９Ａ〜９Ｄの振動はＸＹ平面内で互いに打ち消しあい、検出素子５１０の外部に漏れる振動を低減させることができる。特に、振動部９Ａ〜９Ｄ、縦梁７及び支持体８を中心軸ＡＸ、ＡＹ軸に関して対称に設計することで、原理上完全に漏れ振動をなくすことができる。これによって、漏れ振動による駆動振動のＱ値の低減も防ぐことが出来るうえに、検出部で不要な信号を拾うことを防ぐことが出来る。

Claims

互いに直角のＸ軸とＹ軸とＺ軸とを有するＸＹＺ空間で定義される形状を有してかつ前記Ｚ軸の周りの角速度を検出できる検出素子を備え、
前記検出素子は、
前記Ｘ軸の方向に延びる支持体と、
前記支持体に接続された第１の端と、前記第１の端の反対側の第２の端とを有する第１のアームと、
前記第１のアームの前記第２の端に接続された第１の錘と、
を有し、
前記第１のアームは、
前記第１の端から前記Ｙ軸の方向に第１の角部まで延びる第１のアーム部と、
前記第１の角部から前記Ｘ軸の方向に第２の角部まで延びる第２のアーム部と、
前記第２の角部から前記Ｙ軸の方向に前記第２の端まで延びる第３のアーム部と、
からなるＪ字形状を実質的に有し、
前記第１のアームの前記Ｘ軸の方向の長さは前記第１の錘の前記Ｘ軸の方向の長さよりも大きい、角速度センサ。
前記第２のアーム部の前記Ｙ軸の方向の幅は前記第１のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅よりも小さい、請求項１に記載の角速度センサ。
前記第３のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅は前記第２のアーム部の前記Ｙ軸の方向の幅よりも小さい、請求項１に記載の角速度センサ。
前記第１の角部の曲率半径は前記第２の角部の曲率半径よりも大きい、請求項１に記載の角速度センサ。
前記第１のアーム部に設けられて前記第１の錘を振動させる駆動部と、
前記第２のアーム部に設けられて前記第１の錘の振動を検出する検出部と、
をさらに備えた、請求項１に記載の角速度センサ。
前記検出素子は、
前記支持体に接続された第３の端と、前記第３の端の反対側の第４の端とを有する第２のアームと、
前記第２のアームの前記第４の端に接続された第２の錘と、
前記支持体に接続された第５の端と、前記第５の端の反対側の第６の端とを有する第３のアームと、
前記第３のアームの前記第６の端に接続された第３の錘と、
前記支持体に接続された第７の端と、前記第７の端の反対側の第８の端とを有する第４のアームと、
前記第４のアームの前記第８の端に接続された第４の錘と、
をさらに有し、
前記第２のアームは、
前記第３の端から前記Ｙ軸の方向に第３の角部まで延びる第４のアーム部と、
前記第３の角部から前記Ｘ軸の方向に第４の角部まで延びる第５のアーム部と、
前記第４の角部から前記Ｙ軸の方向に前記第４の端まで延びる第６のアーム部と、
からなるＪ字形状を実質的に有し、
前記第３のアームは、
前記第５の端から前記Ｙ軸の方向に第５の角部まで延びる第７のアーム部と、
前記第５の角部から前記Ｘ軸の方向に第６の角部まで延びる第８のアーム部と、
前記第６の角部から前記Ｙ軸の方向に前記第６の端まで延びる第９のアーム部と、
からなるＪ字形状を実質的に有し、
前記第４のアームは、
前記第７の端から前記Ｙ軸の方向に第７の角部まで延びる第１０のアーム部と、
前記第７の角部から前記Ｘ軸の方向に第８の角部まで延びる第１１のアーム部と、
前記第８の角部から前記Ｙ軸の方向に前記第８の端まで延びる第１２のアーム部と、
からなるＪ字形状を実質的に有し、
前記第２のアームの前記Ｘ軸の方向の長さは前記第２の錘の前記Ｘ軸の方向の長さよりも大きく、
前記第３のアームの前記Ｘ軸の方向の長さは前記第３の錘の前記Ｘ軸の方向の長さよりも大きく、
前記第４のアームの前記Ｘ軸の方向の長さは前記第４の錘の前記Ｘ軸の方向の長さよりも大きい、請求項１に記載の角速度センサ。
前記Ｙ軸の方向に延びる第１と第２の縦梁をさらに備え、
前記支持体は前記Ｘ軸の方向に延びて、かつ前記第１と第２の縦梁の略中央部にそれぞれ接続された両端部を有する、請求項６に記載の角速度センサ。
前記第１のアームと前記第１の錘とは第１の振動部を構成し、
前記第２のアームと前記第２の錘とは第２の振動部を構成し、
前記第１の振動部と前記第２の振動部は、前記支持体を通りかつ前記Ｙ軸に平行な第１の中心軸に関して対称に設けられている、請求項６に記載の角速度センサ。
前記第３のアームと前記第３の錘とは第３の振動部を構成し、
前記第１の振動部と前記第３の振動部は、前記支持体を通りかつ前記Ｘ軸に平行な第２の中心軸に関して対称に設けられている、
請求項８に記載の角速度センサ。
前記第１のアームと前記第１の錘とは第１の振動部を構成し、
前記第２のアームと前記第２の錘とは第２の振動部を構成し、
前記第３のアームと前記第３の錘とは第３の振動部を構成し、
前記第１の振動部と前記第３の振動部は、前記支持体を通りかつ前記Ｘ軸に平行な第２の中心軸に関して対称に設けられている、
請求項６に記載の角速度センサ。
前記第１のアームの前記第２のアーム部の前記Ｙ軸の方向の幅は前記第１のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅よりも小さく、
前記第２のアームの前記第５のアーム部の前記Ｙ軸の方向の幅は前記第４のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅よりも小さく、
前記第３のアームの前記第８のアーム部の前記Ｙ軸の方向の幅は前記第７のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅よりも小さく、
前記第４のアームの前記第１１のアーム部の前記Ｙ軸の方向の幅は前記第１０のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅よりも小さい、
請求項６に記載の角速度センサ。
前記第１のアームの前記第３のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅は前記第２のアーム部の前記Ｙ軸の幅よりも小さく、
前記第２のアームの前記第６のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅は前記第５のアーム部の前記Ｙ軸の幅よりも小さく、
前記第３のアームの前記第９のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅は前記第８のアーム部の前記Ｙ軸の幅よりも小さく、
前記第４のアームの前記第１２のアーム部の前記Ｘ軸の方向の幅は前記第１１のアーム部の前記Ｙ軸の幅よりも小さい、
請求項６に記載の角速度センサ。
前記第１のアームの前記第１の角部の曲率半径は前記第２の角部の曲率半径よりも大きく、
前記第２のアームの前記第３の角部の曲率半径は前記第４の角部の曲率半径よりも大きく、
前記第３のアームの前記第５の角部の曲率半径は前記第６の角部の曲率半径よりも大きく、
前記第４のアームの前記第７の角部の曲率半径は前記第８の角部の曲率半径よりも大きい、
請求項６に記載の角速度センサ。
前記第１のアームの前記第１のアーム部に設けられて前記第１の錘を振動させる第１の駆動部と、
前記第１のアームの前記第２のアーム部に設けられて前記第１の錘の振動を検出する第１の検出部と、
前記第２のアームの前記第４のアーム部に設けられて前記第２の錘を振動させる第２の駆動部と、
前記第２のアームの前記第５のアーム部に設けられて前記第２の錘の振動を検出する第２の検出部と、
前記第３のアームの前記第７のアーム部に設けられて前記第３の錘を振動させる第３の駆動部と、
前記第３のアームの前記第８のアーム部に設けられて前記第３の錘の振動を検出する第３の検出部と、
前記第４のアームの前記第１０のアーム部に設けられて前記第４の錘を振動させる第４の駆動部と、
前記第４のアームの前記第１１のアーム部に設けられて前記第４の錘の振動を検出する第４の検出部と、
をさらに備えた、請求項６に記載の角速度センサ。