WO2018016191A1 - ジャイロセンサ及び電子機器 - Google Patents

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WO2018016191A1
WO2018016191A1 PCT/JP2017/020071 JP2017020071W WO2018016191A1 WO 2018016191 A1 WO2018016191 A1 WO 2018016191A1 JP 2017020071 W JP2017020071 W JP 2017020071W WO 2018016191 A1 WO2018016191 A1 WO 2018016191A1
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WO
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axis
angular velocity
main surface
frame
velocity around
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PCT/JP2017/020071
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French (fr)
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高橋　和夫
訓彦 森
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ソニー株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors

Definitions

  • This technology relates to a gyro sensor capable of detecting angular velocities around three axes and an electronic device equipped with the gyro sensor.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Patent Document 1 discloses an angular velocity sensor capable of detecting angular velocities around three axes.
  • the angular velocity sensor includes a rectangular ring-shaped frame having a main surface, a plurality of pendulum units protruding from the four corners of the frame toward the center of the frame, and a drive unit that fundamentally vibrates the frame in a plane parallel to the main surface. And have.
  • the angular velocity sensor detects an angular velocity around an axis perpendicular to the main surface based on the deformation amount of the frame, and is parallel to the main surface based on the deformation amounts of the plurality of pendulum portions in a direction orthogonal to the main surface. An angular velocity about two axes is detected.
  • an object of the present technology is to provide a gyro sensor capable of obtaining desired angular velocity detection characteristics while suppressing the occurrence of other-axis sensitivity, and an electronic device including the gyro sensor.
  • a gyro sensor includes an annular frame, a drive unit, a first detection unit, a plurality of pendulum units, a second detection unit, and a third detection unit.
  • the frame has a main surface.
  • the drive unit vibrates the frame in a plane parallel to the main surface.
  • the first detection unit detects an angular velocity around a first axis orthogonal to the main surface based on a deformation amount of the main surface of the frame.
  • the plurality of pendulum portions vibrate in synchronization with the vibration of the frame.
  • the second detection unit is disposed at a position that becomes a node of a vibration mode on the main surface when a second angular velocity around a second axis orthogonal to the first axis occurs. And an angular velocity about a third axis orthogonal to the second axis.
  • the third detection unit is disposed at a position that becomes a node of the vibration mode on the main surface when the third angular velocity around the third axis is generated, and detects the angular velocity around the second axis. To do.
  • the gyro sensor when an angular velocity is generated around the second axis, the detection signal of the second detection unit is minimized, and the detection signal of the third detection unit is maximized.
  • the detection signal of the third detection unit when an angular velocity is generated around the third axis, the detection signal of the third detection unit is minimized and the detection signal of the second detection unit is maximized.
  • the frame includes a first set of beams extending in the second axial direction and facing each other in the third axial direction, and the second axial direction extending in the third axial direction.
  • the drive unit is a vibration mode in which when one set of the first and second beam sets approaches, the other set leaves, and when the one set leaves, the other set approaches.
  • the frame is vibrated in a plane parallel to the main surface.
  • Each of the plurality of pendulum portions has one end portion supported by the plurality of connection portions.
  • the second detection unit includes a pair of piezoelectric elements respectively disposed in a center portion in the length direction of the second beam, and the third detection unit is provided in the length direction of the first beam. It includes a pair of piezoelectric elements respectively disposed in the central portion.
  • the plurality of pendulum parts may include a pair of first pendulum parts and a pair of second pendulum parts.
  • the pair of first pendulum portions oppose each other in a fourth axial direction intersecting the second and third axial directions in a plane parallel to the main surface.
  • the pair of second pendulum portions oppose each other in a fifth axial direction intersecting the second, third, and fourth axial directions in a plane parallel to the main surface.
  • the pair of piezoelectric elements constituting the second detection unit is typically disposed at the center in the width direction of the second beam and has a strip shape extending linearly along the second beam.
  • a pair of piezoelectric elements constituting the third detection unit is disposed at the center in the width direction of the first beam, and has a strip shape extending linearly along the first beam.
  • the gyro sensor may further include a controller.
  • the controller detects an angular velocity around the third axis based on a difference between outputs of a pair of piezoelectric elements constituting the second detection unit, and detects a pair of piezoelectric elements constituting the third detection unit. Based on the output difference, the angular velocity around the second axis is detected.
  • An electronic apparatus includes a gyro sensor.
  • the gyro sensor includes an annular frame, a drive unit, a first detection unit, a plurality of pendulum units, a second detection unit, and a third detection unit.
  • the frame has a main surface.
  • the drive unit vibrates the frame in a plane parallel to the main surface.
  • the first detection unit detects an angular velocity around a first axis orthogonal to the main surface based on a deformation amount of the main surface of the frame.
  • the plurality of pendulum portions vibrate in synchronization with the vibration of the frame.
  • the second detection unit is disposed at a position that becomes a node of a vibration mode on the main surface when a second angular velocity around a second axis orthogonal to the first axis occurs. And an angular velocity about a third axis orthogonal to the second axis.
  • the third detection unit is disposed at a position that becomes a node of the vibration mode on the main surface when the third angular velocity around the third axis is generated, and detects the angular velocity around the second axis. To do.
  • a desired angular velocity detection characteristic can be obtained while suppressing the occurrence of other-axis sensitivity.
  • the effects described here are not necessarily limited, and the present disclosure is being disclosed. Any of the effects described in the above may be used.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a stress distribution on the main surface of the frame when an angular velocity around the Y axis acts in the gyro sensor.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing a stress distribution on the main surface of the frame when an angular velocity around the X axis acts in the gyro sensor.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a stress distribution on the main surface of the frame when an angular velocity around the Z axis acts in the gyro sensor.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a gyro sensor according to an embodiment of the present technology.
  • an X axis, a Y axis, and a Z axis indicate triaxial directions orthogonal to each other.
  • a gyro sensor capable of detecting angular velocities around three axes will be described as an example.
  • the gyro sensor of this embodiment is mounted on a control board of an electronic device and detects an angular velocity acting on the electronic device.
  • electronic devices include smart phones, video cameras, car navigation systems, game machines, and wearable devices such as head mounted displays.
  • the gyro sensor 100 is made of a material containing single crystal silicon (Si).
  • the gyro sensor 100 is formed by performing fine processing on an SOI substrate obtained by bonding two silicon substrates, and an active layer W1, a support layer W2, and a bonding layer (BOX (Buried-Oxide) layer) W3. And have.
  • the active layer W1 and the support layer W2 are made of a silicon substrate, and the bonding layer W3 is made of a silicon oxide film.
  • the active layer W1 has a vibrator body 101 and a frame body 102.
  • the vibrator main body 101 and the frame body 102 are formed by finely processing the active layer W1 into a predetermined shape.
  • the support layer W2 and the bonding layer W3 are formed in a frame shape around the active layer W1.
  • the thicknesses of the active layer W1, the support layer W2, and the bonding layer W3 are, for example, about 40 ⁇ m, about 300 ⁇ m, and about 1 ⁇ m, respectively.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing the configuration of the vibrator body 101.
  • the vibrator main body 101 includes an annular frame 10 (support portion) and a plurality of pendulum portions 21a, 21b, 21c, and 21d.
  • the frame 10 has a horizontal direction in the X-axis (second axis) direction, a vertical direction in the Y-axis (third axis) direction, and a thickness direction in the Z-axis (first axis) direction.
  • the frame 10 has a main surface 10s perpendicular to the Z axis.
  • Each side of the frame 10 functions as a vibrating beam and includes a set of first beams 11a and 11b and a set of second beams 12a and 12b.
  • the pair of first beams 11a and 11b is composed of a pair of opposite sides extending in parallel to the X-axis direction and facing each other in the Y-axis direction in FIG.
  • the pair of second beams 12a and 12b is composed of another set of opposite sides that extend in the Y-axis direction and face each other in the X-axis direction.
  • Each beam 11a, 11b, 12a, 12b has the same length, width, and thickness, and the cross section perpendicular to the longitudinal direction of each beam is formed in a substantially rectangular shape.
  • the size of the frame 10 is not particularly limited.
  • the length of one side of the frame 10 is 1000 to 4000 ⁇ m
  • the thickness of the frame 10 is 10 to 200 ⁇ m
  • the widths of the beams 11a, 11b, 12a, and 12b are 50 to 200 ⁇ m. .
  • each beam 11a, 11b, 12a, 12b functions as a vibrating beam whose both ends are supported by the connecting portions 13a to 13d.
  • the vibrator main body 101 has a plurality of (four in this example) pendulum portions 21a, 21b, 21c, and 21d having a cantilever structure.
  • the pendulum portions 21a and 21c (a pair of first pendulum portions) are formed on a pair of connection portions 13a and 13c that are diagonally connected to each other, and are in the diagonal direction (in-plane parallel to the main surface 10s) (The fourth axial direction intersecting with the X-axis and Y-axis directions) extends inside the frame 10.
  • One end of each of the pendulum portions 21 a and 21 c is supported by the connection portions 13 a and 13 c and protrudes toward the center of the frame 10.
  • the other end of each of the pendulum portions 21 a and 21 c faces each other in the vicinity of the center of the frame 10.
  • the pendulum portions 21b and 21d are formed on the other pair of connection portions 13b and 13d that are in a diagonal relationship with each other, and are in the diagonal direction (parallel to the main surface 10s). It extends inside the frame 10 along the X axis, the Y axis, and the fifth axis direction intersecting the fourth axis direction) in the plane.
  • One end of each of the pendulum parts 21 b and 21 d is supported by the connection parts 13 b and 13 d and protrudes toward the center of the frame 10.
  • the other end of each of the pendulum parts 21 b and 21 d faces each other in the vicinity of the center of the frame 10.
  • the pendulum portions 21a to 21d typically have the same shape and size, and are formed simultaneously with the outer shape processing of the frame 10.
  • the shape and size of the pendulum portions 21a to 21d are not particularly limited, and all of them may not be formed in the same shape or the like.
  • the frame body 102 has an annular base portion 81 disposed around the transducer main body 101 and a connecting portion 82 disposed between the transducer main body 101 and the base portion 81. .
  • the base portion 81 is configured by a rectangular frame that surrounds the outside of the vibrator body 101.
  • the base portion 81 has a rectangular annular main surface 81s formed on the same plane as the main surface 10s of the frame 10, and is electrically connected to the controller 200 (see FIG. 7) on the main surface 81s.
  • a plurality of terminal portions (electrode pads) 810 that are connected to each other are provided.
  • the surface opposite to the main surface 81s is bonded to the support layer W2 via the bonding layer W3.
  • the support layer W ⁇ b> 2 is configured by a frame similar to the base portion 81 and partially supports the base portion 81.
  • the controller 200 includes a control circuit that drives the gyro sensor 100 and processes the output of the gyro sensor 100 to detect the angular velocity around each axis.
  • Each terminal portion 810 is electrically and mechanically connected to a control board on which the controller is mounted via a bump (not shown). Note that a wire bonding method may be employed for mounting the gyro sensor 100.
  • the connecting portion 82 includes a plurality of connecting portions 82 a, 82 b, 82 c, and 82 d that support the vibrator main body 101 with respect to the base portion 81 so as to vibrate.
  • the connecting portions 82 a to 82 d extend from the connecting portions 13 a to 13 d of the frame 10 toward the base portion 81.
  • Each of the connecting portions 82a to 82d has a first end portion 821 connected to the vibrator body 101 and a second end portion 822 connected to the base portion 81, and receives the vibration of the frame 10, It is configured to be deformable mainly in the XY plane. That is, the connecting portions 82a to 82d function as a suspension that supports the vibrator main body 101 so as to vibrate.
  • Each of the connecting portions 82a to 82d has a main surface 82s parallel to the main surface 10s of the frame 10 and the main surface 81s of the base portion 81.
  • the main surface 82s includes the main surfaces 10s and 81s. Consists of the same plane. That is, the connecting portions 82a to 82d of the present embodiment are formed of the same silicon substrate as that of the vibrator body 101.
  • the connecting portions 82a to 82d are typically formed in a symmetrical shape with respect to the X axis and the Y axis. As a result, the deformation direction of the frame 10 in the XY plane becomes isotropic, and it is possible to detect the angular velocity with high accuracy around each axis without causing the frame 10 to be twisted or the like.
  • the shape of the connecting portions 82a to 82d may be linear or non-linear.
  • the connecting portions 82a to 82d each have a turning portion 820 whose extending direction is reversed by approximately 180 ° between the vibrator main body 101 and the base portion 81, as shown in FIG. In this way, by increasing the extension length of each of the connecting portions 82a to 82d, the vibrator main body 101 can be supported without inhibiting the vibration of the vibrator main body 101. Furthermore, the effect of not transmitting external vibration (impact) to the vibrator main body 101 is also obtained.
  • the gyro sensor 100 has a plurality of piezoelectric drive units that vibrate the frame 10 in an XY plane parallel to the main surface 10s.
  • the plurality of piezoelectric driving units include a pair of first piezoelectric driving units 31 provided on the main surface 10s of the pair of first beams 11a and 11b, and second beams 12a and 12b. And a pair of second piezoelectric drive units 32 provided on the principal surface 10s of the set.
  • the first and second piezoelectric driving units 31 and 32 are mechanically deformed according to the input voltage, and vibrate the beams 11a, 11b, 12a, and 12b with the driving force of the deformation.
  • the direction of deformation is controlled by the polarity of the input voltage.
  • the first and second piezoelectric drive units 31 and 32 are the upper surfaces (main surfaces 10s) of the beams 11a, 11b, 12a, and 12b, and are formed linearly in parallel with their axis lines. In FIG. 2, the first and second piezoelectric driving units 31 and 32 are indicated by different hatchings for easy understanding.
  • the first piezoelectric drive unit 31 is arranged on the outer edge side of the set of the first beams 11a and 11b
  • the second piezoelectric drive unit 32 is arranged on the outer edge side of the set of the second beams 12a and 12b. Yes.
  • the first and second piezoelectric drive units 31 and 32 have the same configuration.
  • Each piezoelectric drive unit has a laminated structure of a lower electrode layer, a piezoelectric film, and an upper electrode layer.
  • the upper electrode layer corresponds to the first driving electrode (D1) in the first piezoelectric driving unit 31, and corresponds to the second driving electrode (D2) in the second piezoelectric driving unit 32. Equivalent to.
  • the lower electrode layer corresponds to the second drive electrode (D2) in the first piezoelectric drive unit 31, and the first drive electrode (D1) in the second piezoelectric drive unit 32.
  • An insulating film such as a silicon oxide film is formed on the surface (main surface 10s) of the beam on which each piezoelectric driving layer is formed.
  • the piezoelectric film is typically composed of lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric film is polarized and oriented so as to expand and contract in accordance with the potential difference between the lower electrode layer and the upper electrode layer. At this time, AC voltages having opposite phases are applied to the upper electrode layer and the lower electrode layer. Thereby, compared with the case where a lower electrode layer is used as a common electrode, the piezoelectric film can be expanded and contracted with about twice the amplitude.
  • the first drive signal (G +) is input to the upper electrode layer (first drive electrode D1) of each of the first piezoelectric drive units 31, and these lower electrode layers (second The drive electrode D2) is configured to receive a second drive signal (G ⁇ ) that is differential (opposite phase) from the drive signal (G +).
  • the second drive signal (G ⁇ ) is input to the upper electrode layer (second drive electrode D2) of each of the second piezoelectric drive units 32, and these lower electrode layers (first drive electrode D2) are input.
  • the first drive signal (G +) is input to each of the electrodes D1).
  • the first piezoelectric drive unit 31 and the second piezoelectric drive unit 32 are applied with voltages of opposite phases so that when one is extended, the other is contracted.
  • the second beam set 12a, 12b is subjected to bending deformation in the X-axis direction with both ends being supported by the connecting portions 13a to 13d, and both are close to each other in the XY plane. It vibrates alternately in the direction.
  • the pair of the first beams 11a and 11b is bent and deformed in the Y-axis direction while both ends are supported by the connecting portions 13a to 13d, and the direction in which both are separated from each other and the direction in which both are close to each other in the XY plane. And vibrate alternately.
  • the beams 11a, 11b, 12a, 12b are driven at their resonance frequencies.
  • the resonance frequency of each beam 11a, 11b, 12a, 12b is determined by their shape, length, and the like.
  • the resonance frequencies of the beams 11a, 11b, 12a, and 12b are set in the range of 1 to 100 kHz.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the time change of the basic vibration of the frame 10.
  • “drive signal 1” indicates the time change of the input voltage applied to the upper electrode (first drive electrode D ⁇ b> 1) of the first piezoelectric drive unit 31
  • “drive signal 2” is the second The time change of the input voltage applied to the upper electrode (second drive electrode D2) of the piezoelectric drive unit 32 is shown.
  • the drive signal 1 and the drive signal 2 have alternating waveforms that change in opposite phases.
  • the frame 10 changes in the order of (a), (b), (c), (d), (a),..., And the set of the first beams 11a, 11b and the second beams 12a,
  • the frame 10 vibrates in a vibration mode in which the other set is separated when one set is close to the set of 12b and the other set is close when the one set is separated.
  • the pendulum portions 21a to 21d In association with the basic vibration of the frame 10, the pendulum portions 21a to 21d also vibrate in the XY plane around the connection portions 13a to 13d in synchronization with the vibration of the frame 10. (See the arrow direction shown in FIG. 2 and FIG. 3) The vibrations of the pendulum portions 21a to 21d are excited by the vibrations of the beams 11a, 11b, 12a, and 12b. In this case, the pendulum parts 21a and 21c and the pendulum parts 21b and 21d vibrate (oscillate in opposite phases) at the support points of the arm portions in the XY plane, that is, the left and right swing directions from the connection parts 13a to 13d. )
  • each beam 11a, 11b, 12a, 12b of the frame 10 is applied to the first and second drive electrodes D1, D2 by applying opposite AC voltages to each other as shown in FIG. It vibrates in the vibration mode shown in.
  • the Coriolis force F1 resulting from the angular velocity acts on each point of the frame 10, so that the frame 10 is schematically illustrated in FIG.
  • the deformation occurs so as to be distorted in the XY plane. Therefore, by detecting the amount of deformation of the frame 10 in the XY plane, it is possible to detect the magnitude and direction of the angular velocity around the Z axis that has acted on the frame 10.
  • the gyro sensor 100 further includes piezoelectric detectors 51z1 to 51z4 (first detectors).
  • the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4 detect an angular velocity around the Z axis (first axis) perpendicular to the main surface 10s based on the deformation amount of the main surface 10s of the frame 10.
  • the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4 are provided on the main surface 10s of the four connecting portions 13a to 13d, respectively.
  • Piezoelectric detectors 51z1 and 51z3 are respectively arranged around one set of connecting portions 13a and 13c in a diagonal relationship. Of these, one piezoelectric detector 51z1 extends in two directions from the connecting portion 13a along the beams 11a and 12a, and the other piezoelectric detector 51z3 extends from the connecting portion 13c along the beams 11b and 12b. Extending in the direction.
  • the piezoelectric detectors 51z2 and 51z4 are respectively disposed around the other set of connecting portions 13b and 13d in a diagonal relationship. Of these, one piezoelectric detector 51z2 extends in two directions from the connecting portion 13b along the beams 11b and 12a, and the other piezoelectric detector 51z4 extends from the connecting portion 13d along the beams 11a and 12b. Extending in the direction.
  • the piezoelectric detection units 51z1 to 51z4 have the same configuration as the first and second piezoelectric drive units 31 and 32. That is, the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4 are configured by a laminated body of a lower electrode layer, a piezoelectric film, and an upper electrode layer, and function to convert mechanical deformations of the beams 11a, 11b, 12a, and 12b into electric signals. Have In the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4, each lower electrode layer is connected to a reference potential (Vref) such as a ground potential, and each upper electrode layer outputs a detection signal (z1 to z4), respectively. (S1) is configured.
  • the output of the piezoelectric detector 51z1 on the connecting portion 13a and the output of the piezoelectric detector 51z3 on the connecting portion 13c are the same in principle, and the output of the piezoelectric detecting portion 51z2 on the connecting portion 13b and the output of the piezoelectric detecting portion 51z3 on the connecting portion 13d.
  • the output of the piezoelectric detector 51z4 is the same in principle.
  • the gyro sensor 100 includes piezoelectric detection units 52y1 and 52y2 (second detection units) as shown in FIG.
  • the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 are provided on the second beams 12a and 12b, respectively, and detect angular velocities around the Y axis based on the deformation amounts of the second beams 12a and 12b in the Z-axis direction.
  • the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 have a strip shape extending linearly along the second beams 12a and 12b.
  • the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 are respectively arranged in the central portions in the length direction of the second beams 12a and 12b. More specifically, the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 are the surfaces of the second beams 12a and 12b (the same main surface as the main surface 10s) and are arranged at the center (axial center) in the width direction. The centers thereof substantially coincide with the centers in the length direction and the width direction on the surfaces of the beams 12a and 12b.
  • the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 have the same configuration as that of the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4, and are composed of a laminate of a lower electrode layer, a piezoelectric film, and an upper electrode layer, and the second beams 12a and 12b. It has a function of converting mechanical deformation into an electrical signal.
  • each lower electrode layer is connected to a reference potential (Vref) such as a ground potential, and each upper electrode layer outputs a detection signal (y1, y2). (S2) is configured.
  • each of the beams 12a and 12b corresponds to a position that becomes an antinode of the vibration mode when an angular velocity around the Y axis occurs in the frame 10, and an angular velocity around the X axis occurs in the frame 10.
  • the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 are disposed at the center portions in the length direction of the second beams 12a and 12b, respectively.
  • Transforms into The other pair of pendulum parts 21c and 21d adjacent in the Y-axis direction is deformed in the positive direction of the Z-axis by the Coriolis force F2, and the reaction force causes the central part of the beam 12b to move in the negative direction of the Z-axis.
  • the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 output detection signals (y1, y2) corresponding to the deformation amounts of the beams 12a and 12b, respectively.
  • the beams 12a and 12b have their ends (connection portions 13a to 13d) and a central portion as schematically shown in FIG. It vibrates in the vibration mode where is the vibration node. Accordingly, since the deformation of the central portions of the beams 12a and 12b at this time is minimized, the magnitudes of the detection signals of the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 are sufficiently small as compared with the case where the angular velocity occurs around the Y axis. .
  • the gyro sensor 100 includes piezoelectric detection units 53x1 and 53x2 (third detection units) as detection units that detect angular velocities around the X axis.
  • the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 are provided on the first beams 11a and 11b, respectively, and detect the angular velocity around the X axis based on the deformation amount of the first beams 11a and 11b in the Z-axis direction.
  • the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 have a strip shape extending linearly along the first beams 11a and 11b.
  • the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 are arranged at the center portions in the length direction of the first beams 11a and 11b, respectively. More specifically, the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 are arranged on the surfaces (main surfaces identical to the main surface 10s) of the first beams 11a and 11b and at the centers (axial centers) in the width direction. The centers thereof substantially coincide with the centers in the length direction and the width direction on the surfaces of the beams 11a and 11b.
  • the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 have the same configuration as that of the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4, and are configured by a laminated body of a lower electrode layer, a piezoelectric film, and an upper electrode layer, and the first beams 11a and 11b. It has a function of converting mechanical deformation into an electrical signal.
  • each lower electrode layer is connected to a reference potential (Vref) such as a ground potential, and each upper electrode layer outputs a detection signal (x1, x2), respectively. (S3) is configured.
  • each of the beams 11a and 11b corresponds to a position that becomes an antinode of the vibration mode when an angular velocity around the X axis occurs in the frame 10, and an angular velocity around the Y axis occurs in the frame 10.
  • the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 are arranged at the center portions in the length direction of the first beams 11a and 11b, respectively.
  • Transforms into The other pair of pendulum portions 21b and 21c adjacent in the X-axis direction is deformed in the positive direction of the Z-axis by the Coriolis force F3, and the reaction force causes the central portion of the beam 11b to move in the negative direction of the Z-axis.
  • the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 output detection signals (x1, x2) corresponding to the deformation amounts of the beams 11a and 11b, respectively.
  • the vibration modes of the beams 11a and 11b are as shown in FIG. 5 in their both end portions (connection portions 13a to 13d) and the central portion. It vibrates in the vibration mode where is the vibration node. Accordingly, since the deformation of the central portions of the beams 11a and 11b at this time is minimized, the magnitudes of the detection signals of the piezoelectric detection portions 53x1 and 53x2 are sufficiently small as compared with the case where an angular velocity occurs around the X axis. .
  • each of the pendulum parts 21a to 21d is deformed by the Coriolis force according to the X-direction component and the Y-direction component of the angular velocity, and the deformation amounts are detected by the piezoelectric detection units 52y1, 52y2, 53x1, and 53x2.
  • the controller 200 extracts the angular velocity around the X axis and the angular velocity around the Y axis based on the outputs of the piezoelectric detectors 52y1, 52y2, 53x1, and 53x2. This makes it possible to detect an angular velocity around an arbitrary axis parallel to the XY plane.
  • the gyro sensor 100 of this embodiment has a reference electrode 61 as shown in FIG.
  • the reference electrode 61 is disposed on the inner edge side of the set of the beam 12a and the beam 12b so as to be adjacent to the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2.
  • the reference electrode 61 has a configuration similar to that of the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4, 52y1, 52y2, 53x1, and 53x2, and includes a laminated body of a lower electrode layer, a piezoelectric film, and an upper electrode layer. It has a function of converting the mechanical deformation of 12a and 12b into an electric signal.
  • the lower electrode layer is connected to a reference potential such as a ground potential, and the upper electrode layer functions as a detection electrode that outputs a reference signal (FB).
  • FB reference signal
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the controller 200.
  • the controller 200 includes a self-excited oscillation circuit 201 and a detection circuit (an arithmetic circuit 203, a detection circuit 204, a smoothing circuit 205, etc.).
  • the self-excited oscillation circuit 201 generates a drive signal that vibrates the vibrator main body 101 (the frame 10, the pendulum portions 21a to 21d) in the XY plane.
  • the detection circuit generates and outputs angular velocities about the X, Y, and Z axes based on detection signals (z1, z2, z3, z4, y1, y2, x1, x2) output from the vibrator main body 101.
  • the controller 200 has a G + terminal, a G ⁇ terminal, a GFB terminal, a Gx1 terminal, a Gx2 terminal, a Gy1 terminal, a Gy2 terminal, a Gz1 terminal, a Gz2 terminal, a Gz3 terminal, a Gz4 terminal, and a Vref terminal.
  • the Gz1 terminal and the Gz3 terminal may be configured by a common terminal
  • the Gz2 terminal and the Gz4 terminal may be configured by a common terminal.
  • the wirings connected to the Gz1 terminal and the Gz3 terminal are integrated with each other on the way
  • the wirings connected to the Gz2 terminal and the Gz4 terminal are integrated with each other on the way.
  • the G + terminal is electrically connected to the upper electrode layer of the first piezoelectric drive unit 31 and the lower electrode layer of the second piezoelectric drive unit 32, respectively.
  • the G-terminal is electrically connected to the lower electrode layer of the first piezoelectric drive unit 31 and the upper electrode layer (drive electrode D2) of the second piezoelectric drive unit 32, respectively.
  • the GFB terminal is electrically connected to the upper electrode layer of the reference electrode 61, respectively.
  • the G + terminal is connected to the output terminal of the self-excited oscillation circuit 201.
  • the G-terminal is connected to the output terminal of the self-excited oscillation circuit 201 via the inverting amplifier 202.
  • the self-excited oscillation circuit 201 generates a drive signal (AC signal) for driving the first and second piezoelectric drive units 31 and 32.
  • the inverting amplifier 202 generates a drive signal (second drive signal G ⁇ ) having the same magnitude as the drive signal (first drive signal G +) generated by the self-excited oscillation circuit 201 and having a phase inverted by 180 °. To do. Thereby, the 1st and 2nd piezoelectric drive parts 31 and 32 are expanded-contracted in a mutually opposite phase.
  • the connection between the lower electrode layers of the piezoelectric driving units 31 and 32 and the controller 200 is omitted in FIG.
  • the Gy1 terminal and the Gy2 terminal are electrically connected to the upper electrode layer (second detection electrode S2) of the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2, respectively.
  • the Gx1 terminal and the Gx2 terminal are electrically connected to the upper electrode layer (third detection electrode S3) of the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2, respectively.
  • the Gz1, Gz2, Gz3, and Gz4 terminals are electrically connected to the upper electrode layers (first detection electrodes S1) of the piezoelectric detectors 51z1, 51z2, 51z3, and 51z4, respectively.
  • the Vref terminal is electrically connected to the lower electrode layer of the reference electrode 61 and the lower electrode layers of the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4, 52y1, 52y2, 53x1, and 53x2.
  • the GFB terminal, Gx1 terminal, Gx2 terminal, Gy1 terminal, Gy2 terminal, Gz1 terminal, Gz2 terminal, Gz3 terminal and Gz4 terminal are each connected to the input terminal of the arithmetic circuit 203.
  • the arithmetic circuit 203 generates a first difference circuit for generating an angular velocity signal around the X axis, a second difference circuit for generating an angular velocity signal around the Y axis, and an angular velocity signal around the Z axis.
  • a third difference circuit for the purpose.
  • the outputs of the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4 are z1 to z4, the outputs of the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 are y1 and y2, respectively, and the outputs of the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 are x1 and x2, respectively.
  • the first difference circuit calculates (x1-x2) and outputs the calculated value to the detection circuit 204x.
  • the second difference circuit calculates (y1-y2) and outputs the calculated value to the detection circuit 204y.
  • the third difference circuit calculates ((z1 + z3) ⁇ (z2 + z4)) and outputs the calculated value to the detection circuit 204z.
  • the detection circuits 204x, 204y, and 204z perform full-wave rectification on the differential signal in synchronism with the output of the drive signal from the self-excited oscillation circuit 201 or the reference signal (FB), and convert it into a direct current.
  • Smoothing circuits 205x, 205y, and 205z smooth the outputs of the detection circuits 204x, 204y, and 204z.
  • the DC voltage signal ⁇ x output from the smoothing circuit 205x includes information regarding the magnitude and direction of the angular velocity around the X axis
  • the DC voltage signal ⁇ y output from the smoothing circuit 205y includes the magnitude of the angular velocity around the Y axis and Contains information about directions.
  • the DC voltage signal ⁇ z output from the smoothing circuit 205z includes information on the magnitude and direction of the angular velocity around the Z axis. That is, the magnitude of the DC voltage signals ⁇ x, ⁇ y, and ⁇ z with respect to the reference potential Vref corresponds to information related to the magnitude of the angular velocity, and the polarity of the DC voltage signal corresponds to information related to the direction of the angular velocity.
  • the vibrator main body 101 is supported by the base portion 81 via the connecting portions 82a to 82d, and the piezoelectric drive portions 31 and 32 include the frame 10 and the plurality of pendulum portions 21a to 21d. Are vibrated in synchronization with each other in a plane parallel to the main surface 10s.
  • the piezoelectric detectors 51z1 to 51z4 output a detection signal corresponding to the angular velocity around the Z axis based on the deformation amount of the frame.
  • the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 output a detection signal corresponding to the angular velocity around the Y axis based on the deformation amount of the pendulum portion.
  • the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 output a detection signal corresponding to the angular velocity around the X axis based on the deformation amount of the pendulum part.
  • the multi-axis integrated detection is an effective means for reducing the size of the sensor, but the structure of the sensor and the arrangement of the electrodes are complicated, so that the vibrator easily has a plurality of modes other than the natural vibration mode. Become.
  • the vibration mode for detecting the angular velocity around one axis and the vibration mode for detecting the angular velocity around the other axis cannot be separated, so that the sensitivity of the other axis is generated and the operation becomes unstable.
  • there are methods such as improving the dimensional accuracy of the sensor or configuring a band-pass filter with a circuit, but if the frequency of each mode is close, the effect cannot be fully demonstrated There is.
  • FIG. 8 shows a configuration of a gyro sensor 110 according to a comparative example.
  • parts corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • piezoelectric detectors 70a to 70d for detecting angular velocities around the X axis and the Y axis are arranged on the arm surface of the pendulum parts 21a to 21d, respectively.
  • the piezoelectric detectors 70a to 70d are configured to be able to detect the deformation amount of each pendulum part 21a to 21d in the Z-axis direction.
  • the detection signals of the piezoelectric detectors 70a to 70d are xy1, xy2, xy3, and xy4, the angular velocity around the X axis is detected by the difference calculation of (xy1 + xy2) ⁇ (xy3 + xy4). Then, the magnitude and direction of the angular velocity around the Y axis are detected by a difference calculation of (xy1 + xy4) ⁇ (xy2 + xy3).
  • the influence of variations in the shape of the vibrator and the electrode position on the vibration characteristics and the angular velocity detection characteristics becomes relatively large.
  • the symmetry of the signals generated in the piezoelectric detectors 70a to 70d is broken, making it difficult to separate the vibration modes.
  • the outputs of the piezoelectric detectors 70a to 70d may not be canceled by the above calculation, and a significant angular velocity signal may be generated.
  • a significant angular velocity signal around the Y axis may be generated in the same manner.
  • the other-axis sensitivity is generated, and it is difficult to obtain a desired angular velocity detection characteristic.
  • the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 for detecting the angular velocity around the X axis are positions that become nodes of the vibration mode of the frame 10 when the angular velocity around the Y axis occurs ( It arrange
  • the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 for detecting the angular velocity around the Y axis are positions that become nodes of the vibration mode of the frame 10 when the angular velocity around the X axis is generated (the center portion of the second beams 12a and 12b). Placed in.
  • the position that becomes the node of each vibration mode corresponds to the position that becomes the node of the vibration mode even when the angular velocity around the Z-axis occurs (see FIG. 4).
  • the detection signals of the piezoelectric detectors 53x1 and 53x2 are minimized and the detection of the piezoelectric detectors 52y1 and 52y2 is performed as shown in FIG. The signal is maximized.
  • the detection signals of the piezoelectric detection units 52y1 and 52y2 are minimum and the detection signals of the piezoelectric detection units 53x1 and 53x2 are maximum as shown in FIG.
  • the detection signals of the piezoelectric detectors 53x1, 53x2, 52y1, and 52y2 are minimum as shown in FIG. As a result, the occurrence of other-axis sensitivity is suppressed, and a desired angular velocity detection characteristic can be stably obtained.
  • the present invention is not limited thereto, and may be formed in an annular shape.
  • the detection unit for detecting the angular velocity around each axis is configured by a piezoelectric element (piezoelectric detection unit).
  • the detection unit is not limited to this, and for example, a piezo that detects deformation of the frame 10 as a change in electrical resistance. You may comprise with a resistive element.
  • the piezoelectric detectors 52y1, 52y2, 53x1, 53x2 are each configured by a single piezoelectric element formed at the center of the beams 11a, 11b, 12a, 12b of the frame 10.
  • the configuration is not limited, and the beam may be divided into two or more at the center of each beam.
  • the angular velocity around the Y axis or around the X axis can be detected by using the sum signal of the divided piezoelectric elements.
  • this technique can also take the following structures.
  • an annular frame having a main surface;
  • a drive unit that vibrates the frame in a plane parallel to the main surface;
  • a first detector for detecting an angular velocity around a first axis orthogonal to the main surface based on a deformation amount in the main surface of the frame;
  • a plurality of pendulum portions each having one end portion supported by the frame and vibrating in synchronization with the vibration of the frame;
  • a second detector for detecting an angular velocity around the axis of A gyro comprising: a third detection unit that is disposed at a position that becomes a node of a vibration mode on the main surface when an angular velocity around the third axis occurs; and that detects an angular velocity around the second axis.
  • Sensor. (2) The gyro sensor according to (1) above, The frame extends in the second axial direction and has a pair of first beams facing each other in the third axial direction, and extends in the third axial direction in the second axial direction.
  • the drive unit is a vibration mode in which when one of the first and second beam sets approaches, the other set is separated, and when the one set is separated, the other set approaches. Then, the frame is vibrated in a plane parallel to the main surface,
  • the plurality of pendulum parts each have one end supported by the plurality of connection parts,
  • the second detection unit includes a pair of piezoelectric elements respectively disposed in a central portion in the length direction of the second beam,
  • the third detection unit includes a pair of piezoelectric elements respectively disposed at a central portion in a length direction of the first beam.
  • the gyro sensor according to (2) above The plurality of pendulum parts are A pair of first pendulum parts facing each other in a fourth axial direction intersecting the second and third axial directions in a plane parallel to the main surface; A gyro sensor comprising: a pair of second pendulum portions facing each other in a fifth axial direction intersecting the second, third, and fourth axial directions in a plane parallel to the main surface.
  • a pair of piezoelectric elements constituting the second detection unit is disposed at the center in the width direction of the second beam, and has a strip shape extending linearly along the second beam.
  • a pair of piezoelectric elements constituting the third detection unit is arranged at the center in the width direction of the first beam, and has a strip shape extending linearly along the first beam.
  • the gyro sensor according to any one of (2) to (5) above The angular velocity around the third axis is detected based on the difference between the outputs of the pair of piezoelectric elements constituting the second detection unit, and the difference between the outputs of the pair of piezoelectric elements constituting the third detection unit is detected.
  • a gyro sensor further comprising a controller for detecting an angular velocity about the second axis based on the controller.
  • annular frame having a main surface;
  • a drive unit that vibrates the frame in a plane parallel to the main surface;
  • a first detector for detecting an angular velocity around a first axis orthogonal to the main surface based on a deformation amount in the main surface of the frame;
  • a plurality of pendulum portions each having one end portion supported by the frame and vibrating in synchronization with the vibration of the frame;
  • a second detector for detecting an angular velocity around the axis of A gyro sensor having a third detection unit that is disposed at a position that becomes a node of a vibration mode on the main surface when an angular velocity around the third axis occurs, and that detects an angular velocity around the second axis.
  • An electronic device comprising:

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Abstract

本技術の一形態に係るジャイロセンサは、環状のフレームと、駆動部と、第１の検出部と、複数の振り子部と、第２の検出部と、第３の検出部とを具備する。上記第１の検出部は、上記フレームの主面における変形量に基づいて、上記主面に直交する第１の軸まわりの角速度を検出する。上記第２の検出部は、上記第１の軸と直交する第２の軸まわりの第２の角速度が生じた場合に上記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、上記第１及び第２の軸にそれぞれ直交する第３の軸まわりの角速度を検出する。上記第３の検出部は、上記第３の軸まわりの第３の角速度が生じた場合に上記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、上記第２の軸まわりの角速度を検出する。

Description

ジャイロセンサ及び電子機器
　本技術は、３軸まわりの角速度を検出することが可能なジャイロセンサ及びこれを備えた電子機器に関する。
　現在、モバイル機器を中心として、人間の動作を検知するためのモーションセンサが広く用いられている。そのうち、角速度を検出するジャイロセンサは近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の進展によって小型化が進み、様々なタイプのデバイスが開発・商品化されている。
　例えば特許文献１には、３軸まわりの角速度を検出することが可能な角速度センサが開示されている。当該角速度センサは、主面を有する矩形環状のフレームと、フレームの四隅部からフレームの中心部に向かって突出する複数の振り子部と、フレームを主面に平行な面内で基本振動させる駆動部とを有する。そして当該角速度センサは、フレームの変形量に基づいて主面に垂直な軸まわりの角速度を検出し、主面と直交する方向への複数の振り子部の変形量に基づいて、主面に平行な２軸まわりの角速度を検出するように構成されている。
特許第４８５８６６２号公報
　１つのセンサで多軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサにおいては、小型化に伴い、形状や電極位置のバラツキが振動特性や角速度検出特性に与える影響は、相対的に大きくなる。このため振動モードの分離が困難となり、他軸感度が発生して、所望とする角速度検出特性を得ることが困難となる。
　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、他軸感度の発生を抑えて所望とする角速度検出特性を得ることができるジャイロセンサ及びこれを備えた電子機器を提供することにある。
　本技術の一形態に係るジャイロセンサは、環状のフレームと、駆動部と、第１の検出部と、複数の振り子部と、第２の検出部と、第３の検出部とを具備する。
　上記フレームは、主面を有する。
　上記駆動部は、上記フレームを上記主面に平行な面内で振動させる。
　上記第１の検出部は、上記フレームの上記主面における変形量に基づいて、上記主面に直交する第１の軸まわりの角速度を検出する。
　上記複数の振り子部は、上記フレームの振動に同期して振動する。
　上記第２の検出部は、上記第１の軸と直交する第２の軸まわりの第２の角速度が生じた場合に上記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、上記第１及び第２の軸にそれぞれ直交する第３の軸まわりの角速度を検出する。
　上記第３の検出部は、上記第３の軸まわりの第３の角速度が生じた場合に上記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、上記第２の軸まわりの角速度を検出する。
　上記ジャイロセンサによれば、第２の軸まわりに角速度が生じた場合は第２の検出部の検出信号が最小となり、かつ第３の検出部の検出信号が最大となる。一方、第３の軸まわりに角速度が生じた場合は第３の検出部の検出信号が最小となり、かつ第２の検出部の検出信号が最大となる。これにより他軸感度の発生が抑えられ、所望とする角速度検出特性を得ることが可能となる。
　典型的に、上記フレームは、上記第２の軸方向に延在し上記第３の軸方向に相互に対向する第１の梁の組と、上記第３の軸方向に延在し上記第２の軸方向に相互に対向する第２の梁の組と、上記第１の梁と上記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する。
　上記駆動部は、上記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときに上記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームを上記主面に平行な面内において振動させる。
　上記複数の振り子部は、上記複数の接続部に支持される一端部をそれぞれ有する。
　上記第２の検出部は、上記第２の梁の長さ方向の中央部にそれぞれ配置された一対の圧電素子を含み、上記第３の検出部は、上記第１の梁の長さ方向の中央部にそれぞれ配置された一対の圧電素子を含む。
　この場合、上記複数の振り子部は、一対の第１の振り子部と、一対の第２の振り子部とを含んでもよい。
　上記一対の第１の振り子部は、上記主面に平行な面内で上記第２及び第３の軸方向と交差する第４の軸方向に相互に対向する。上記一対の第２の振り子部は、上記主面に平行な面内で上記第２、第３及び第４の軸方向と交差する第５の軸方向に相互に対向する。
　上記第２の検出部を構成する一対の圧電素子は、典型的には、上記第２の梁の幅方向の中心に配置され、上記第２の梁に沿って直線的に延びる短冊形状を有する。
　同様に、上記第３の検出部を構成する一対の圧電素子は、上記第１の梁の幅方向の中心に配置され、上記第１の梁に沿って直線的に延びる短冊形状を有する。
　上記ジャイロセンサは、コントローラをさらに具備してもよい。
　上記コントローラは、上記第２の検出部を構成する一対の圧電素子の出力の差分に基づいて上記第３の軸まわりの角速度を検出し、上記第３の検出部を構成する一対の圧電素子の出力の差分に基づいて上記第２の軸まわりの角速度を検出する。
　本技術の一形態に係る電子機器は、ジャイロセンサを具備する。
　上記ジャイロセンサは、環状のフレームと、駆動部と、第１の検出部と、複数の振り子部と、第２の検出部と、第３の検出部とを有する。
　上記フレームは、主面を有する。
　上記駆動部は、上記フレームを上記主面に平行な面内で振動させる。
　上記第１の検出部は、上記フレームの上記主面における変形量に基づいて、上記主面に直交する第１の軸まわりの角速度を検出する。
　上記複数の振り子部は、上記フレームの振動に同期して振動する。
　上記第２の検出部は、上記第１の軸と直交する第２の軸まわりの第２の角速度が生じた場合に上記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、上記第１及び第２の軸にそれぞれ直交する第３の軸まわりの角速度を検出する。
　上記第３の検出部は、上記第３の軸まわりの第３の角速度が生じた場合に上記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、上記第２の軸まわりの角速度を検出する。
　以上のように、本技術によれば、他軸感度の発生を抑えて所望とする角速度検出特性を得ることができる
　なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術の一実施形態に係るジャイロセンサを示す概略斜視図である。 上記ジャイロセンサにおける振動子本体の構成を模式的に示す平面図である。 上記振動子本体の基本振動の時間変化を示す模式図である。 上記振動子本体にＺ軸まわりの角速度が作用したときの振動モードを示す模式図である。 上記振動子本体にＹ軸まわりの角速度が作用したときの振動モードを示す模式図である。 上記振動子本体にＸ軸まわりの角速度が作用したときの振動モードを示す模式図である。 上記振動子本体及びこれに接続されるコントローラとの関係を示すブロック図である。 比較例に係るジャイロセンサの構成を模式的に示す平面図である。 上記ジャイロセンサにおいてＹ軸まわりの角速度が作用したときのフレーム主面の応力分布を示す概略平面図である。 上記ジャイロセンサにおいてＸ軸まわりの角速度が作用したときのフレーム主面の応力分布を示す概略平面図である。 上記ジャイロセンサにおいてＺ軸まわりの角速度が作用したときのフレーム主面の応力分布を示す概略平面図である。
　以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
　図１は本技術の一実施形態に係るジャイロセンサを示す概略斜視図である。図においてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、相互に直交する３軸方向をそれぞれ示している。
　本実施形態では、３軸まわりの角速度を検出することが可能なジャイロセンサを例に挙げて説明する。本実施形態のジャイロセンサは、電子機器の制御基板に搭載され、当該電子機器に作用する角速度を検出する。電子機器としては、例えば、スマートホン、ビデオカメラ、カーナビゲーションシステム、ゲーム機等のほか、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブル機器が挙げられる。
　まず、本実施形態のジャイロセンサ１００の基本構成について説明する。
　ジャイロセンサ１００は、単結晶シリコン（Ｓｉ）を含む材料で構成される。例えば、ジャイロセンサ１００は、２枚のシリコン基板を貼り合わせたＳＯＩ基板に微細加工を施すことで形成され、活性層Ｗ１と、支持層Ｗ２と、接合層（ＢＯＸ（Buried-Oxide）層）Ｗ３とを有する。活性層Ｗ１及び支持層Ｗ２はシリコン基板で構成され、接合層Ｗ３はシリコン酸化膜で構成される。
　活性層Ｗ１は、振動子本体１０１と、枠体１０２とを有する。振動子本体１０１及び枠体１０２は、活性層Ｗ１を所定形状に微細加工することで形成される。支持層Ｗ２及び接合層Ｗ３は、活性層Ｗ１の周囲に枠状に形成される。活性層Ｗ１、支持層Ｗ２及び接合層Ｗ３の厚みはそれぞれ、例えば、約４０μｍ、約３００μｍ及び約１μｍとされる。
［振動子本体］
　図２は、振動子本体１０１の構成を模式的に示す平面図である。振動子本体１０１は、環状のフレーム１０（支持部）と、複数の振り子部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄとを有する。
（フレーム）
　フレーム１０は、Ｘ軸（第２の軸）方向に横方向、Ｙ軸（第３の軸）方向に縦方向、Ｚ軸（第１の軸）方向に厚み方向を有する。フレーム１０は、Ｚ軸に垂直な主面１０ｓを有する。フレーム１０の各辺は、振動梁として機能し、第１の梁１１ａ，１１ｂの組と、第２の梁１２ａ，１２ｂの組とを含む。
　第１の梁１１ａ，１１ｂの組は、図２においてＸ軸方向に平行に延在しＹ軸方向に相互に対向する一組の対辺で構成される。第２の梁１２ａ，１２ｂの組は、Ｙ軸方向に延在しＸ軸方向に相互に対向する他の一組の対辺で構成される。各梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、それぞれ同一の長さ、幅及び厚みを有しており、各梁の長手方向に垂直な断面は、略矩形に形成される。
　フレーム１０の大きさは特に限定されず、例えば、フレーム１０の一辺の長さは１０００～４０００μｍ、フレーム１０の厚みは１０～２００μｍ、梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの幅は５０～２００μｍである。
　フレーム１０の四隅に相当する部位には、第１の梁１１ａ，１１ｂの組と第２の梁１２ａ，１２ｂの組との間を接続する複数（本例では４つ）の接続部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄがそれぞれ形成されている。第１の梁１１ａ，１１ｂの組及び第２の梁１２ａ，１２ｂの組の両端は、接続部１３ａ～１３ｄによって支持される。すなわち、各梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、接続部１３ａ～１３ｄによって両端が支持された振動梁として機能する。
（振り子部）
　振動子本体１０１は、片持ち梁構造の複数（本例では４つ）の振り子部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを有する。
　振り子部２１ａ，２１ｃ（一対の第１の振り子部）は、相互に対角関係にある一組の接続部１３ａ，１３ｃにそれぞれ形成されており、その対角線方向（主面１０ｓに平行な面内でＸ軸及びＹ軸方向と交差する第４の軸方向）に沿ってフレーム１０の内側に延在している。振り子部２１ａ，２１ｃのそれぞれの一端は接続部１３ａ，１３ｃに支持され、フレーム１０の中心に向かって突出し、それぞれの他端は、フレーム１０の中央付近において相互に対向している。
　振り子部２１ｂ，２１ｄ（一対の第２の振り子部）は、相互に対角関係にある他の一組の接続部１３ｂ，１３ｄにそれぞれ形成されており、その対角線方向（主面１０ｓに平行な面内でＸ軸、Ｙ軸及び上記第４の軸方向と交差する第５の軸方向）に沿ってフレーム１０の内側に延在している。振り子部２１ｂ，２１ｄのそれぞれの一端は、接続部１３ｂ，１３ｄに支持され、フレーム１０の中心に向かって突出し、それぞれの他端は、フレーム１０の中央付近において相互に対向している。
　振り子部２１ａ～２１ｄは、それぞれ典型的には同一の形状及び大きさを有しており、フレーム１０の外形加工の際に同時に形成される。振り子部２１ａ～２１ｄの形状、大きさは特に限定されず、全てが同一の形状等で形成されていなくてもよい。
［枠体］
　図１に示すように、枠体１０２は、振動子本体１０１の周囲に配置された環状のベース部８１と、振動子本体１０１とベース部８１との間に配置された連結部８２とを有する。
（ベース部）
　ベース部８１は、振動子本体１０１の外側を囲む四角形状の枠体で構成されている。ベース部８１は、フレーム１０の主面１０ｓと同一の平面上に形成された矩形環状の主面８１ｓを有し、その主面８１ｓ上には、コントローラ２００（図７参照）に対して電気的に接続される複数の端子部（電極パッド）８１０が設けられている。主面８１ｓの反対側の面は、接合層Ｗ３を介して支持層Ｗ２に接合される。支持層Ｗ２は、ベース部８１と同様の枠体で構成され、ベース部８１を部分的に支持する。
　コントローラ２００は、後述するように、ジャイロセンサ１００を駆動し、かつ、ジャイロセンサ１００の出力を処理して各軸まわりの角速度を検出する制御回路で構成される。各端子部８１０は、図示しないバンプを介して上記コントローラが搭載された制御基板上に電気的かつ機械的に接続される。なお、ジャイロセンサ１００の実装にはワイヤボンディング方式が採用されてもよい。
（連結部）
　連結部８２は、ベース部８１に対して振動子本体１０１を振動可能に支持する複数の連結部８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを含む。各連結部８２ａ～８２ｄは、フレーム１０の各接続部１３ａ～１３ｄからベース部８１に向かって延びる。連結部８２ａ～８２ｄは、振動子本体１０１に接続される第１の端部８２１と、ベース部８１に接続される第２の端部８２２とをそれぞれ有し、フレーム１０の振動を受けて、主としてＸＹ平面内において変形可能に構成される。すなわち連結部８２ａ～８２ｄは、振動子本体１０１を振動可能に支持するサスペンションとして機能する。
　連結部８２ａ～８２ｄは、フレーム１０の主面１０ｓ及びベース部８１の主面８１ｓと平行な主面８２ｓをそれぞれ有し、典型的には、主面８２ｓは、上記各主面１０ｓ，８１ｓと同一の平面で構成される。すなわち本実施形態の連結部８２ａ～８２ｄは、振動子本体１０１を構成するシリコン基板と同一のシリコン基板で構成されている。
　連結部８２ａ～８２ｄは、典型的には、Ｘ軸及びＹ軸に関して対称な形状に形成される。これにより、ＸＹ平面内におけるフレーム１０の変形方向が等方的となり、フレーム１０にねじれ等を生じさせることなく、各軸まわりの高精度な角速度検出が可能となる。
　連結部８２ａ～８２ｄの形状は、直線的なものであってもよいし、非直線的なものであってもよい。本実施形態において連結部８２ａ～８２ｄは、図１に示すように、振動子本体１０１とベース部８１との間において延出方向が略１８０°反転する転回部８２０をそれぞれ有する。このように各連結部８２ａ～８２ｄの延在長を大きくすることで、振動子本体１０１の振動を阻害することなく、振動子本体１０１を支持することが可能となる。さらに、外部からの振動（衝撃）を振動子本体１０１に伝達させないという効果も得られる。
［圧電駆動部］
　ジャイロセンサ１００は、フレーム１０をその主面１０ｓに平行なＸＹ平面内で振動させる複数の圧電駆動部を有する。
　複数の圧電駆動部は、図２に示すように、第１の梁１１ａ，１１ｂの組の主面１０ｓにそれぞれ設けられた一対の第１の圧電駆動部３１と、第２の梁１２ａ，１２ｂの組の主面１０ｓにそれぞれ設けられた一対の第２の圧電駆動部３２とを含む。第１及び第２の圧電駆動部３１，３２は、入力電圧に応じて機械的に変形し、その変形の駆動力で梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを振動させる。変形の方向は、入力電圧の極性で制御される。
　第１及び第２の圧電駆動部３１，３２は、梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの上面（主面１０ｓ）であって、それらの軸線に平行にそれぞれ直線的に形成されている。図２においては、理解を容易にするため、第１及び第２の圧電駆動部３１，３２をそれぞれ異なるハッチングで示す。第１の圧電駆動部３１は、第１の梁１１ａ，１１ｂの組の外縁側に配置され、第２の圧電駆動部３２は、第２の梁１２ａ，１２ｂの組の外縁側に配置されている。
　第１及び第２の圧電駆動部３１，３２は、それぞれ同一の構成を有している。各圧電駆動部はそれぞれ、下部電極層と、圧電膜と、上部電極層との積層構造を有する。上部電極層は、第１の圧電駆動部３１にあっては第１の駆動用電極（Ｄ１）に相当し、第２の圧電駆動部３２にあっては第２の駆動用電極（Ｄ２）に相当する。一方、下部電極層は、第１の圧電駆動部３１にあっては第２の駆動用電極（Ｄ２）に相当し、第２の圧電駆動部３２にあっては第１の駆動用電極（Ｄ１）に相当する。各圧電駆動層が形成される梁の表面（主面１０ｓ）には、シリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されている。
　圧電膜は、典型的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成される。圧電膜は、下部電極層と上部電極層との電位差に応じて伸縮するように分極配向されている。この際、上部電極層と下部電極層とに相互に逆位相の交流電圧が印加される。これにより、下部電極層を共通電極とする場合と比較して、約２倍の振幅で圧電膜を伸縮させることができる。
　本実施形態では、第１の圧電駆動部３１各々の上部電極層（第１の駆動用電極Ｄ１）には第１の駆動信号（Ｇ＋）がそれぞれ入力され、これらの下部電極層（第２の駆動用電極Ｄ２）には、駆動信号（Ｇ＋）とは差動（逆位相）の第２の駆動信号（Ｇ－）がそれぞれ入力されるように構成される。一方、第２の圧電駆動部３２各々の上部電極層（第２の駆動用電極Ｄ２）には第２の駆動信号（Ｇ－）がそれぞれ入力され、これらの下部電極層（第１の駆動用電極Ｄ１）には第１の駆動信号（Ｇ＋）がそれぞれ入力されるように構成される。
（駆動原理）
　第１の圧電駆動部３１及び第２の圧電駆動部３２には、一方が伸びたとき他方が縮むように相互に逆位相の電圧が印加される。これにより、第２の梁の組１２ａ，１２ｂは、両端が接続部１３ａ～１３ｄに支持された状態でＸ軸方向に撓み変形を受け、ＸＹ平面内において双方が離間する方向と双方が近接する方向とに交互に振動する。第１の梁１１ａ，１１ｂの組も同様に、両端が接続部１３ａ～１３ｄに支持された状態でＹ軸方向に撓み変形を受け、ＸＹ平面内において双方が離間する方向と双方が近接する方向とに交互に振動する。
　したがって、第１の梁１１ａ，１１ｂの組が相互に近接する方向に振動する場合は、第２の梁１２ａ，１２ｂの組は相互に離間する方向に振動し、第１の梁１１ａ，１１ｂの組が相互に離間する方向に振動する場合は、第２の梁１２ａ，１２ｂの組は相互に近接する方向に振動する。このとき、各梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの中央部は、振動の腹を形成し、それらの両端部（接続部１３ａ～１３ｄ）は、振動の節（ノード）を形成する。このような振動モードを以下、フレーム１０の基本振動と称する。
　梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、それらの共振周波数で駆動される。各梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの共振周波数は、それらの形状、長さ等によって定められる。典型的には、梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの共振周波数は、１～１００ｋＨｚの範囲で設定される。
　図３は、フレーム１０の基本振動の時間変化を示す模式図である。図３において「駆動信号１」は、第１の圧電駆動部３１の上部電極（第１の駆動用電極Ｄ１）に印加される入力電圧の時間変化を示し、「駆動信号２」は、第２の圧電駆動部３２の上部電極（第２の駆動用電極Ｄ２）に印加される入力電圧の時間変化を示す。
　図３に示すように、駆動信号１と駆動信号２とは相互に逆位相で変化する交流波形を有する。これによりフレーム１０は、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ａ）、・・・の順に変化し、第１の梁１１ａ，１１ｂの組と第２の梁１２ａ，１２ｂの組とのうち、一方の組が近接したときは他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときは上記他方の組が近接する振動モードで、フレーム１０は振動する。
　上述したフレーム１０の基本振動に伴って、振り子部２１ａ～２１ｄもまた、フレーム１０の振動に同期して、接続部１３ａ～１３ｄを中心としてＸＹ平面内でそれぞれ振動する。（図２に示す矢印方向及び図３参照）各振り子部２１ａ～２１ｄの振動は、梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの振動により励起される。この場合、振り子部２１ａ，２１ｃと振り子部２１ｂ，２１ｄとは、ＸＹ平面内におけるアーム部分の支持点すなわち接続部１３ａ～１３ｄからの左右の揺動方向において、相互に逆位相で振動（揺動）する。
　以上のように、第１及び第２の駆動用電極Ｄ１，Ｄ２に対して相互に逆位相の交流電圧が印加されることで、フレーム１０の各梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、図３に示した振動モードで振動する。このような基本振動を継続するフレーム１０にＺ軸まわりの角速度が作用すると、フレーム１０の各点に当該角速度に起因するコリオリ力Ｆ１が作用することで、フレーム１０は、例えば図４に模式的に示すようにＸＹ平面内において歪むように変形する。したがって、このＸＹ平面内におけるフレーム１０の変形量を検出することで、フレーム１０に作用したＺ軸まわりの角速度の大きさ及び方向を検出することが可能となる。
［圧電検出部］
（第１の検出部）
　ジャイロセンサ１００は、図２に示すように、圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４（第１の検出部）をさらに有する。圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４は、フレーム１０の主面１０ｓにおける変形量に基づいて、主面１０ｓに垂直なＺ軸（第１の軸）まわりの角速度を検出する。圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４は、４つの接続部１３ａ～１３ｄの主面１０ｓ上にそれぞれ設けられる。
　圧電検出部５１ｚ１，５１ｚ３は、対角関係にある一方の組の接続部１３ａ，１３ｃの周辺にそれぞれ配置されている。このうち一方の圧電検出部５１ｚ１は、接続部１３ａから梁１１ａ及び梁１２ａに沿って２方向に延びており、他方の圧電検出部５１ｚ３は、接続部１３ｃから梁１１ｂ及び梁１２ｂに沿って２方向に延びている。
　同様に、圧電検出部５１ｚ２，５１ｚ４は、対角関係にある他方の組の接続部１３ｂ，１３ｄの周辺にそれぞれ配置されている。このうち一方の圧電検出部５１ｚ２は、接続部１３ｂから梁１１ｂ及び梁１２ａに沿って２方向に延びており、他方の圧電検出部５１ｚ４は、接続部１３ｄから梁１１ａ及び梁１２ｂに沿って２方向に延びている。
　圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４は、第１及び第２の圧電駆動部３１，３２と同様の構成を有する。すなわち、圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４は、下部電極層と、圧電膜と、上部電極層との積層体で構成され、各梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４において、各下部電極層は、グランド電位等の基準電位（Ｖref）に接続され、各上部電極層は、検出信号（ｚ１～ｚ４）をそれぞれ出力する第１の検出用電極（Ｓ１）を構成する。
　図２に示す振動子本体１０１においては、Ｚ軸まわりに角速度が作用した際、フレーム１０の内角の大きさが図３及び図４に示したように周期的に変動する。このとき、対角関係にある一方の接続部１３ａ，１３ｃの組と他方の接続部１３ｂ，１３ｄの組とでは内角の変動が相互に逆位相となる。したがって接続部１３ａ上の圧電検出部５１ｚ１の出力と接続部１３ｃ上の圧電検出部５１ｚ３の出力とは原理的には同一であり、接続部１３ｂ上の圧電検出部５１ｚ２の出力と接続部１３ｄ上の圧電検出部５１ｚ４の出力とは原理的に同一である。そこで、圧電検出部５１ｚ１，５１ｚ３の出力の和と圧電検出部５１ｚ２，５１ｚ４の出力の和との差分を算出することにより、フレーム１０に作用するＺ軸まわりの角速度の大きさ及び方向が検出可能となる。
（第２の検出部）
　一方、Ｙ軸まわりの角速度を検出する検出部として、ジャイロセンサ１００は、図２に示すように、圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２（第２の検出部）を有する。圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、第２の梁１２ａ，１２ｂにそれぞれ設けられ、これら第２の梁１２ａ，１２ｂのＺ軸方向における変形量に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を検出する。
　圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、第２の梁１２ａ，１２ｂに沿って直線的に延びる短冊形状を有する。圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、第２の梁１２ａ，１２ｂの長さ方向の中央部にそれぞれ配置される。より具体的に、圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、第２の梁１２ａ，１２ｂの表面（主面１０ｓと同一の主面）であって、これらの幅方向の中心（軸心）に配置されており、それらの中心は、梁１２ａ，１２ｂの表面上の長さ方向及び幅方向の中心と実質的に一致する。
　圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４と同様の構成を有し、下部電極層と、圧電膜と、上部電極層との積層体で構成され、第２の梁１２ａ，１２ｂの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２において、各下部電極層は、グランド電位等の基準電位（Ｖref）に接続され、各上部電極層は、検出信号（ｙ１，ｙ２）をそれぞれ出力する第２の検出用電極（Ｓ２）を構成する。
　ここで、梁１２ａ，１２ｂ各々の長手方向の中央部は、フレーム１０にＹ軸まわりの角速度が生じた場合に振動モードの腹となる位置に相当し、フレーム１０にＸ軸まわりの角速度が生じた場合に振動モードの節となる位置に相当する。上述のように圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、これら第２の梁１２ａ，１２ｂの長さ方向の中央部にそれぞれ配置される。
　例えば、基本振動で振動するフレーム１０にＹ軸まわりの角速度が作用すると、図５に模式的に示すように、各振り子部２１ａ～２１ｄにその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力Ｆ２がそれぞれ発生する。これにより、Ｙ軸方向に隣接する一方の振り子部２１ａ，２１ｂの組は、コリオリ力Ｆ２によりＺ軸の負の方向へ変形し、その反力で梁１２ａの中央部がＺ軸の正の方向へ変形する。また、Ｙ軸方向に隣接する他方の振り子部２１ｃ，２１ｄの組は、コリオリ力Ｆ２によりＺ軸の正の方向へ変形し、その反力で梁１２ｂの中央部がＺ軸の負の方向へ変形する。圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、これら梁１２ａ，１２ｂの変形量に相当する検出信号（ｙ１，ｙ２）をそれぞれ出力する。
　一方、基本振動で振動するフレーム１０にＸ軸まわりの角速度が作用した場合、図６に模式的に示すように、梁１２ａ，１２ｂは、それらの両端部（接続部１３ａ～１３ｄ）及び中央部を振動の節とする振動モードで振動する。したがって、このときの梁１２ａ、１２ｂの中央部の変形は最小となるため、圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２の検出信号の大きさは、Ｙ軸まわりに角速度が生じた場合と比較して十分に小さい。
（第３の検出部）
　さらに図２に示すように、ジャイロセンサ１００は、Ｘ軸まわりの角速度を検出する検出部として、圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２（第３の検出部）を有する。圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、第１の梁１１ａ，１１ｂにそれぞれ設けられ、これら第１の梁１１ａ，１１ｂのＺ軸方向における変形量に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度を検出する。
　圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、第１の梁１１ａ，１１ｂに沿って直線的に延びる短冊形状を有する。圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、第１の梁１１ａ，１１ｂの長さ方向の中央部にそれぞれ配置される。より具体的に、圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、第１の梁１１ａ，１１ｂの表面（主面１０ｓと同一の主面）であって、これらの幅方向の中心（軸心）に配置されており、それらの中心は、梁１１ａ，１１ｂの表面上の長さ方向及び幅方向の中心と実質的に一致する。
　圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４と同様の構成を有し、下部電極層と、圧電膜と、上部電極層との積層体で構成され、第１の梁１１ａ，１１ｂの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２において、各下部電極層は、グランド電位等の基準電位（Ｖref）に接続され、各上部電極層は、検出信号（ｘ１，ｘ２）をそれぞれ出力する第３の検出用電極（Ｓ３）を構成する。
　ここで、梁１１ａ，１１ｂ各々の長手方向の中央部は、フレーム１０にＸ軸まわりの角速度が生じた場合に振動モードの腹となる位置に相当し、フレーム１０にＹ軸まわりの角速度が生じた場合に振動モードの節となる位置に相当する。上述のように圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、これら第１の梁１１ａ，１１ｂの長さ方向の中央部にそれぞれ配置される。
　図５に示すように、基本振動で振動するフレーム１０にＸ軸まわりの角速度が作用すると、各振り子部２１ａ～２１ｄにその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力Ｆ３がそれぞれ発生する。これにより、Ｘ軸方向に隣接する一方の振り子部２１ａ，２１ｄの組は、コリオリ力Ｆ３によりＺ軸の負の方向へ変形し、その反力で梁１１ａの中央部がＺ軸の正の方向へ変形する。また、Ｘ軸方向に隣接する他方の振り子部２１ｂ，２１ｃの組は、コリオリ力Ｆ３によりＺ軸の正の方向へ変形し、その反力で梁１１ｂの中央部がＺ軸の負の方向へ変形する。圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、これら梁１１ａ，１１ｂの変形量に相当する検出信号（ｘ１，ｘ２）をそれぞれ出力する。
　一方、基本振動で振動するフレーム１０にＹ軸まわりの角速度が作用した場合、梁１１ａ，１１ｂの振動モードは、図５に示すように、それらの両端部（接続部１３ａ～１３ｄ）及び中央部を振動の節とする振動モードで振動する。したがって、このときの梁１１ａ、１１ｂの中央部の変形は最小となるため、圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２の検出信号の大きさは、Ｘ軸まわりに角速度が生じた場合と比較して十分に小さい。
　Ｘ軸及びＹ軸に各々斜めに交差する方向の軸まわりに角速度が生じた場合にも、上述と同様な原理で角速度が検出される。すなわち、各振り子部２１ａ～２１ｄは、当該角速度のＸ方向成分及びＹ方向成分に応じたコリオリ力によって変形し、それらの変形量が圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２，５３ｘ１，５３ｘ２によって各々検出される。コントローラ２００は、これら圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２，５３ｘ１，５３ｘ２の出力に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度及びＹ軸まわりの角速度をそれぞれ抽出する。これにより、ＸＹ平面に平行な任意の軸まわりの角速度を検出することが可能となる。
［参照電極］
　本実施形態のジャイロセンサ１００は、図２に示すように参照電極６１を有する。参照電極６１は、圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２に隣接するように、梁１２ａ及び梁１２ｂの組の内縁側に配置されている。参照電極６１は、圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４，５２ｙ１，５２ｙ２，５３ｘ１，５３ｘ２と同様の構成を有しており、下部電極層と、圧電膜と、上部電極層との積層体で構成され、梁１２ａ，１２ｂの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。下部電極層は、グランド電位等の基準電位に接続され、上部電極層は参照信号（ＦＢ）を出力する検出用電極として機能する。
［コントローラ］
　続いて、コントローラ２００の詳細について説明する。図７は、コントローラ２００の構成を示すブロック図である。
　コントローラ２００は、自励発振回路２０１と、検出回路（演算回路２０３、検波回路２０４、平滑回路２０５等）とを有する。自励発振回路２０１は、振動子本体１０１（フレーム１０、振り子部２１ａ～２１ｄ）をＸＹ平面内で振動させる駆動信号を生成する。検出回路は、振動子本体１０１から出力される検出信号（ｚ１，ｚ２，ｚ３，ｚ４，ｙ１，ｙ２，ｘ１，ｘ２）に基づいてＸ、Ｙ及びＺ軸まわりの角速度を生成し、出力する。
　コントローラ２００は、Ｇ＋端子、Ｇ－端子、ＧFB端子、Ｇx1端子、Ｇx2端子、Ｇy1端子、Ｇy2端子、Ｇz1端子、Ｇz2端子、Ｇz3端子、Ｇz4端子及びＶref端子を有する。
　なお、Ｇz1端子及びＧz3端子はそれぞれ共通の端子で構成されてもよく、Ｇz2端子及びＧz4端子はそれぞれ共通の端子で構成されてもよい。この場合、Ｇz1端子及びＧz3端子に接続される配線は途中で相互に一体化され、Ｇz2端子及びＧz4端子に接続される配線は途中で相互に一体化される。
　本実施形態において、Ｇ＋端子は、第１の圧電駆動部３１の上部電極層と第２の圧電駆動部３２の下部電極層とにそれぞれ電気的に接続される。Ｇ－端子は、第１の圧電駆動部３１の下部電極層と第２の圧電駆動部３２の上部電極層（駆動用電極Ｄ２）とにそれぞれ電気的に接続される。ＧFB端子は、参照電極６１の上部電極層にそれぞれ電気的に接続される。
　Ｇ＋端子は、自励発振回路２０１の出力端に接続される。Ｇ－端子は、反転アンプ２０２を介して自励発振回路２０１の出力端に接続される。自励発振回路２０１は、第１及び第２の圧電駆動部３１，３２を駆動するための駆動信号（交流信号）を生成する。反転アンプ２０２は、自励発振回路２０１にて生成された駆動信号（第１の駆動信号Ｇ＋）と同一の大きさで位相が１８０°反転した駆動信号（第２の駆動信号Ｇ－）を生成する。これにより、第１及び第２の圧電駆動部３１，３２は、相互に逆位相で伸縮される。なお、理解を容易にするため、図７において各圧電駆動部３１，３２の下部電極層とコントローラ２００との間の結線は省略されている。
　Ｇy1端子及びＧy2端子は、圧電検出部５２ｙ１及び５２ｙ２の上部電極層（第２の検出用電極Ｓ２）にそれぞれ電気的に接続される。Ｇx1端子及びＧx2端子は、圧電検出部５３ｘ１及び５３ｘ２の上部電極層（第３の検出用電極Ｓ３）にそれぞれ電気的に接続される。Ｇz1端子、Ｇz2端子、Ｇz3端子及びＧz4端子は、圧電検出部５１ｚ１，５１ｚ２，５１ｚ３及び５１ｚ４の上部電極層（第１の検出用電極Ｓ１）にそれぞれ電気的に接続される。Ｖref端子は、参照電極６１の下部電極層と、圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４、５２ｙ１，５２ｙ２，５３ｘ１，５３ｘ２の下部電極層にそれぞれ電気的に接続される。
　ＧFB端子、Ｇx1端子、Ｇx2端子、Ｇy1端子、Ｇy2端子、Ｇz1端子、Ｇz2端子、Ｇz3端子及びＧz4端子は、それぞれ演算回路２０３の入力端に接続される。演算回路２０３は、Ｘ軸まわりの角速度信号を生成するための第１の差分回路と、Ｙ軸まわりの角速度信号を生成するための第２の差分回路と、Ｚ軸まわりの角速度信号を生成するための第３の差分回路とを有する。
　圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４の出力をそれぞれｚ１～ｚ４、圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２の出力をそれぞれｙ１、ｙ２、圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２の出力をそれぞれｘ１，ｘ２とする。このとき、上記第１の差分回路は、（ｘ１－ｘ２）を演算し、その演算値を検波回路２０４ｘへ出力する。上記第２の差分回路は、（ｙ１－ｙ２）を演算し、その演算値を検波回路２０４ｙへ出力する。そして、上記第３の差分回路は、（（ｚ１＋ｚ３）－（ｚ２＋ｚ４））を演算し、その演算値を検波回路２０４ｚへ出力する。
　検波回路２０４ｘ，２０４ｙ，２０４ｚは、自励発振回路２０１からの駆動信号の出力あるいは参照信号（ＦＢ）に同期して、上記差分信号を全波整流し、直流化する。平滑回路２０５ｘ、２０５ｙ、２０５ｚは、検波回路２０４ｘ，２０４ｙ，２０４ｚの出力を平滑化する。平滑回路２０５ｘから出力される直流電圧信号ωｘは、Ｘ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報を含み、平滑回路２０５ｙから出力される直流電圧信号ωｙは、Ｙ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報を含む。同様に、平滑回路２０５ｚから出力される直流電圧信号ωｚは、Ｚ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報を含む。すなわち、基準電位Ｖrefに対する上記直流電圧信号ωｘ、ωｙ、ωｚの大きさが角速度の大きさに関する情報に相当し、当該直流電圧信号の極性が角速度の方向に関する情報に相当する。
［ジャイロセンサの動作］
　本実施形態のジャイロセンサ１００において、振動子本体１０１は、連結部８２ａ～８２ｄを介してベース部８１に支持されており、圧電駆動部３１，３２は、フレーム１０及び複数の振り子部２１ａ～２１ｄを主面１０ｓに平行な面内で相互に同期して振動させる。
　この状態で、フレーム１０にＺ軸まわりへの角速度が作用すると、フレーム１０に対しその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力が発生することで、当該フレームが主面１０ｓに平行な面内で変形する（図４参照）。圧電検出部５１ｚ１～５１ｚ４は、当該フレームの変形量に基づいてＺ軸まわりの角速度に対応する検出信号を出力する。
　一方、Ｙ軸まわりの角速度が作用すると、複数の振り子部２１ａ～２１ｄに対しその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力が発生することで、当該振り子部が主面１０ｓに垂直な方向に変形する（図５参照）。圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、当該振り子部の変形量に基づいてＹ軸まわりの角速度に対応する検出信号を出力する。
　さらに、Ｘ軸まわりの角速度が作用すると、複数の振り子部２１ａ～２１ｄに対しその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力が発生することで、当該振り子部が主面１０ｓに垂直な方向に変形する（図６参照）。圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、当該振り子部の変形量に基づいてＸ軸まわりの角速度に対応する検出信号を出力する。
　ところで、多軸一体検出はセンサの小型化を図る上で有効な手段ではあるが、センサの構造や電極の配置が複雑化するため、振動子が固有振動モード以外の複数のモードを有し易くなる。その結果、１つの軸まわりの角速度を検出する振動モードと他の軸まわりの角速度を検出する振動モードとの分離ができず、他軸感度が発生して、動作が安定しなくなる。安定動作をさせるためには、センサの寸法精度を向上させるか、もしくは回路でバンドパスフィルタを構成するなどの方法があるが、各モードの周波数が近い場合、その効果が十分に発揮できないという問題がある。
　例えば図８に比較例に係るジャイロセンサ１１０の構成を示す。同図において、図２と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　図８に示すように比較例に係るジャイロセンサ１１０は、振り子部２１ａ～２１ｄのアーム部表面に、Ｘ軸まわり及びＹ軸まわりの角速度を検出するための圧電検出部７０ａ～７０ｄがそれぞれ配置される。基本振動で振動するフレーム１０にＸ軸まわり又はＹ軸まわりの角速度が作用すると、上述のように各振り子部２１ａ～２１ｄにその瞬間での振動方向と直交する方向（Ｚ軸方向）のコリオリ力がそれぞれ発生する（図５、図６参照）。圧電検出部７０ａ～７０ｄは、各振り子部２１ａ～２１ｄのＺ軸方向への変形量を検出することが可能に構成される。
　ここで、各圧電検出部７０ａ～７０ｄの検出信号をそれぞれｘｙ１，ｘｙ２、ｘｙ３、ｘｙ４とすると、Ｘ軸まわりの角速度は、（ｘｙ１＋ｘｙ２）－（ｘｙ３＋ｘｙ４）の差分演算によりその大きさ及び方向が検出され、Ｙ軸まわりの角速度は、（ｘｙ１＋ｘｙ４）－（ｘｙ２＋ｘｙ３）の差分演算によりその大きさ及び方向が検出される。なお、Ｚ軸まわりに角速度が生じた場合、圧電検出部７０ａ～７０ｄの出力は上記演算式で相殺されるため、理想的にはＸＹ平面に平行な軸まわりの角速度のみが検出される。
　しかしながらセンサの小型化に伴い、振動子の形状や電極位置のバラツキが振動特性や角速度検出特性に与える影響は、相対的に大きくなる。例えば、振動子形状や振動方向にずれが生じた場合、圧電検出部７０ａ～７０ｄにおいて発生する信号の対称性がくずれて振動モードの分離が困難となる。その結果、例えばＺ軸まわりの角速度が生じた場合、圧電検出部７０ａ～７０ｄの出力が上記演算で相殺されず、有意の角速度信号が生成されてしまう場合がある。また、例えばＸ軸まわりの角速度が生じた場合にも同様に、Ｙ軸まわりの有意の角速度信号が生成されてしまう場合がある。このように比較例に係るジャイロセンサ１１０においては、他軸感度が発生して、所望とする角速度検出特性を得ることが困難となる。
　これに対して本実施形態のジャイロセンサ１００において、Ｘ軸まわりの角速度検出用の圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２は、Ｙ軸まわりの角速度が生じた場合にフレーム１０の振動モードの節となる位置（第１の梁１１ａ，１１ｂの中央部）に配置される（図２、図５参照）。また、Ｙ軸まわりの角速度検出用の圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２は、Ｘ軸まわりの角速度が生じた場合にフレーム１０の振動モードの節となる位置（第２の梁１２ａ，１２ｂの中央部）に配置される。しかも、これら各振動モードの節となる位置は、Ｚ軸まわりの角速度が生じた場合においても当該振動モードの節となる位置に相当する（図４参照）。
　図９～図１１は、Ｙ軸まわり、Ｘ軸まわり及びＺ軸まわりの角速度がフレーム１０に作用したときの各梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの主面の応力分布をそれぞれ示しており、濃度が高い領域と濃度が低い領域とは相互に逆向きの応力を表している。
　本実施形態のジャイロセンサ１００によれば、Ｙ軸まわりに角速度が生じた場合は、図９に示すように圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２の検出信号は最小となり、かつ圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２の検出信号は最大となる。一方、Ｘ軸まわりに角速度が生じた場合は、図１０に示すように圧電検出部５２ｙ１、５２ｙ２の検出信号は最小となり、かつ圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２の検出信号は最大となる。さらに、Ｚ軸まわりに角速度が生じた場合は、図１１に示すように圧電検出部５３ｘ１，５３ｘ２，５２ｙ１，５２ｙ２の検出信号はいずれも最小となる。これにより他軸感度の発生が抑えられ、所望とする角速度検出特性を安定して得ることができる。
　以上、本技術の実施形態について説明したが、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、種々変更を加え得ることは勿論である。
　例えば以上の実施形態では、振動子本体１０１を構成するフレーム１０が矩形環状に構成された例を説明したが、これに限られず、円環状に形成されてもよい。
　また以上の実施形態では、各軸まわりの角速度を検出する検出部が圧電素子（圧電検出部）で構成されたが、これに限られず、例えばフレーム１０の変形を電気抵抗の変化として検出するピエゾ抵抗素子で構成されてもよい。
　さらに以上の実施形態では、圧電検出部５２ｙ１，５２ｙ２，５３ｘ１，５３ｘ２がそれぞれフレーム１０の梁１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの中心部に形成された単一の圧電素子で構成されたが、これに限られず、各梁の中心部に関して２つ以上に分割して構成されてもよい。この場合、例えば、分割された圧電素子の和信号をそれぞれ用いることで、Ｙ軸まわり又はＸ軸まわりの角速度を検出することができる。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）主面を有する環状のフレームと、
　前記フレームを前記主面に平行な面内で振動させる駆動部と、
　前記フレームの前記主面における変形量に基づいて、前記主面に直交する第１の軸まわりの角速度を検出する第１の検出部と、
　前記フレームに支持される一端部をそれぞれ有し、前記フレームの振動に同期して振動する複数の振り子部と、
　前記第１の軸と直交する第２の軸まわりの角速度が生じた場合に前記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、前記第１及び第２の軸にそれぞれ直交する第３の軸まわりの角速度を検出する第２の検出部と、
　前記第３の軸まわりの角速度が生じた場合に前記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、前記第２の軸まわりの角速度を検出する第３の検出部と
　を具備するジャイロセンサ。
（２）上記（１）に記載のジャイロセンサであって、
　前記フレームは、前記第２の軸方向に延在し前記第３の軸方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第３の軸方向に延在し前記第２の軸方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有し、
　前記駆動部は、前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記主面に平行な面内において振動させ、
　前記複数の振り子部は、前記複数の接続部に支持される一端部をそれぞれ有し、
　前記第２の検出部は、前記第２の梁の長さ方向の中央部にそれぞれ配置された一対の圧電素子を含み、
　前記第３の検出部は、前記第１の梁の長さ方向の中央部にそれぞれ配置された一対の圧電素子を含む
　ジャイロセンサ。
（３）上記（２）に記載のジャイロセンサであって、
　前記複数の振り子部は、
　前記主面に平行な面内で前記第２及び第３の軸方向と交差する第４の軸方向に相互に対向する一対の第１の振り子部と、
　前記主面に平行な面内で前記第２、第３及び第４の軸方向と交差する第５の軸方向に相互に対向する一対の第２の振り子部と、を含む
　ジャイロセンサ。
（４）上記（２）又は（３）に記載のジャイロセンサであって、
　前記第２の検出部を構成する一対の圧電素子は、前記第２の梁の幅方向の中心に配置され、前記第２の梁に沿って直線的に延びる短冊形状を有する
　ジャイロセンサ。
（５）上記（２）～（４）のいずれか１つに記載のジャイロセンサであって、
　前記第３の検出部を構成する一対の圧電素子は、前記第１の梁の幅方向の中心に配置され、前記第１の梁に沿って直線的に延びる短冊形状を有する
　ジャイロセンサ。
（６）上記（２）～（５）のいずれか１つに記載のジャイロセンサであって、
　前記第２の検出部を構成する一対の圧電素子の出力の差分に基づいて前記第３の軸まわりの角速度を検出し、前記第３の検出部を構成する一対の圧電素子の出力の差分に基づいて前記第２の軸まわりの角速度を検出するコントローラをさらに具備する
　ジャイロセンサ。
（７）主面を有する環状のフレームと、
　前記フレームを前記主面に平行な面内で振動させる駆動部と、
　前記フレームの前記主面における変形量に基づいて、前記主面に直交する第１の軸まわりの角速度を検出する第１の検出部と、
　前記フレームに支持される一端部をそれぞれ有し、前記フレームの振動に同期して振動する複数の振り子部と、
　前記第１の軸と直交する第２の軸まわりの角速度が生じた場合に前記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、前記第１及び第２の軸にそれぞれ直交する第３の軸まわりの角速度を検出する第２の検出部と、
　前記第３の軸まわりの角速度が生じた場合に前記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、前記第２の軸まわりの角速度を検出する第３の検出部と
　を有するジャイロセンサ
　を具備する電子機器。
　１０…フレーム
　１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ…梁
　２１ａ～２１ｄ…アーム部
　３１，３２…圧電駆動部
　５１ｚ１～５１ｚ４，５２ｙ１，５２ｙ２，５３ｘ１，５３ｘ２…圧電検出部
　１００…ジャイロセンサ
　１０１…振動子本体
　２１１…アーム部本体

Claims (7)

  1. 　主面を有する環状のフレームと、
    　前記フレームを前記主面に平行な面内で振動させる駆動部と、
    　前記フレームの前記主面における変形量に基づいて、前記主面に直交する第１の軸まわりの角速度を検出する第１の検出部と、
    　前記フレームの振動に同期して振動する複数の振り子部と、
    　前記第１の軸と直交する第２の軸まわりの角速度が生じた場合に前記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、前記第１及び第２の軸にそれぞれ直交する第３の軸まわりの角速度を検出する第２の検出部と、
    　前記第３の軸まわりの角速度が生じた場合に前記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、前記第２の軸まわりの角速度を検出する第３の検出部と
    　を具備するジャイロセンサ。
  2. 　請求項１に記載のジャイロセンサであって、
    　前記フレームは、前記第２の軸方向に延在し前記第３の軸方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第３の軸方向に延在し前記第２の軸方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有し、
    　前記駆動部は、前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記主面に平行な面内において振動させ、
    　前記複数の振り子部は、前記複数の接続部に支持される一端部をそれぞれ有し、
    　前記第２の検出部は、前記第２の梁の長さ方向の中央部にそれぞれ配置された一対の圧電素子を含み、
    　前記第３の検出部は、前記第１の梁の長さ方向の中央部にそれぞれ配置された一対の圧電素子を含む
    　ジャイロセンサ。
  3. 　請求項２に記載のジャイロセンサであって、
    　前記複数の振り子部は、
    　前記主面に平行な面内で前記第２及び第３の軸方向と交差する第４の軸方向に相互に対向する一対の第１の振り子部と、
    　前記主面に平行な面内で前記第２、第３及び第４の軸方向と交差する第５の軸方向に相互に対向する一対の第２の振り子部と、を含む
    　ジャイロセンサ。
  4. 　請求項２に記載のジャイロセンサであって、
    　前記第２の検出部を構成する一対の圧電素子は、前記第２の梁の幅方向の中心に配置され、前記第２の梁に沿って直線的に延びる短冊形状を有する
    　ジャイロセンサ。
  5. 　請求項２に記載のジャイロセンサであって、
    　前記第３の検出部を構成する一対の圧電素子は、前記第１の梁の幅方向の中心に配置され、前記第１の梁に沿って直線的に延びる短冊形状を有する
    　ジャイロセンサ。
  6. 　請求項２に記載のジャイロセンサであって、
    　前記第２の検出部を構成する一対の圧電素子の出力の差分に基づいて前記第３の軸まわりの角速度を検出し、前記第３の検出部を構成する一対の圧電素子の出力の差分に基づいて前記第２の軸まわりの角速度を検出するコントローラをさらに具備する
    　ジャイロセンサ。
  7. 　主面を有する環状のフレームと、
    　前記フレームを前記主面に平行な面内で振動させる駆動部と、
    　前記フレームの前記主面における変形量に基づいて、前記主面に直交する第１の軸まわりの角速度を検出する第１の検出部と、
    　前記フレームの振動に同期して振動する複数の振り子部と、
    　前記第１の軸と直交する第２の軸まわりの角速度が生じた場合に前記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、前記第１及び第２の軸にそれぞれ直交する第３の軸まわりの角速度を検出する第２の検出部と、
    　前記第３の軸まわりの角速度が生じた場合に前記主面上の振動モードの節となる位置に配置され、前記第２の軸まわりの角速度を検出する第３の検出部と
    　を有するジャイロセンサ
    　を具備する電子機器。
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