WO2018235719A1 - 振動型角速度センサ - Google Patents

Abstract

角速度を検出する振動型角速度センサであって、一面を有する基板（１０）と、固定部（２０）と、複数の錘（３１～３６）と、複数の錘の一端側および他端側にて複数の錘を挟むように配置され、複数の錘を介して連結された２つの直線状の駆動梁（４２）と、固定部と駆動梁とを連結する支持部材（４３）と、駆動梁を駆動振動させる駆動部（５０）と、駆動梁の駆動振動中の角速度印加により、角速度印加に伴う変位に応じた電気出力を発生させる検出部（６０）と、を備え、複数の錘は、一対の検出錘（３５、３６）と、検出錘のうちの１つの周囲を囲み、検出錘に連結された一対の内側駆動錘（３３、３４）と、一対の内側駆動錘を挟んだ両側それぞれに配置された一対の外側駆動錘（３１、３２）と、により構成され、固定部は、一面に対する法線方向から見て、２つの駆動梁の間に設けられ、内側駆動錘同士の間および内側駆動錘と外側駆動錘との間に配置されている。

Description

振動型角速度センサ 関連出願への相互参照

　本出願は、２０１７年６月２２日に出願された日本特許出願番号２０１７－１２２２８３号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。

　本開示は、バネに支持されて変位できるように構成された検出錘が角速度の印加に基づいて変位することで、印加された角速度を検出する振動型角速度センサに関する。

　従来、振動型角速度センサとして、バネに支持された検出錘が角速度の印加に伴って変位することに基づき、その変位量から印加された角速度を検出するもの、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。この振動型角速度センサは、基板平面方向に振動させられる駆動錘と、駆動錘に対して検出バネを介して接続された検出錘とを有し、駆動錘を所定方向に駆動振動させ、角速度印加時に駆動振動と交差する方向に検出錘が振動させられることで角速度検出を行う。

特開２０１３－１３４０６４号公報

　上記した構造の振動型角速度センサは、さらに、駆動錘を介して連結された２つの駆動梁と、支持部材を介して駆動梁を支持すると共に基板に固定された固定部と、を備える構成とされている。固定部は、駆動錘などを基板に支持するためのものであり、基板に複数形成されると共に、２つの駆動梁それぞれに支持部材を介して接続されている。
　そのため、熱などによって基板に歪みが生じると、この歪みにより固定部の変位が生じ、固定部の変位が支持部材および駆動梁を介して駆動錘や検出錘に伝達されてしまう。その結果、角速度の印加によって生じるコリオリ力に加えて、基板の歪みに起因した固定部の変位が駆動錘などに伝わり、温度特性の低下が生じるため、角速度の検出精度が低下してしまう。

　特許文献１に記載の振動型角速度センサは、固定部が上面視にて駆動錘の外側に配置された構造とされているため、基板の歪みによる固定部の変位が大きく、基板の歪みによる角速度の検出精度への影響が大きかった。

　本開示は、従来の振動型角速度センサに比べて、基板の歪みによる角速度の検出精度の低下を抑制でき、防振性能および基板の歪みに対するロバスト性が向上した振動型角速度センサを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、第１の観点にかかる振動型角速度センサは、角速度を検出する振動型角速度センサであって、一面を有する基板と、一面上に形成された固定部と、一面上に基板から離れて設けられ、互いに離れて配置された複数の錘と、一面上に基板から離れて設けられ、複数の錘の一方向の一端側および一方向における他端側において複数の錘を挟むように配置されると共に、複数の錘を介して連結された２つの直線状の駆動梁と、固定部と駆動梁とを連結する支持部材と、駆動梁を駆動振動させる駆動部と、駆動梁を駆動振動させているときに、角速度が印加されると、該角速度の印加に伴う変位に応じた電気出力を発生させる検出部と、を備える。このような構成において、複数の錘は、一対の検出錘と、検出錘のうちの１つの周囲を囲むと共に検出錘に連結された一対の内側駆動錘と、一対の内側駆動錘を挟んだ両側それぞれに配置された一対の外側駆動錘と、により構成されており、固定部は、一面に対する法線方向から見て、２つの駆動梁の間に設けられると共に、内側駆動錘同士の間および内側駆動錘と外側駆動錘との間に配置されている。

　これにより、基板に熱などによる歪みが生じたとしても、固定部が２つの駆動梁の間の領域、すなわち基板の歪みが外周部分より小さい中心側の領域に配置された構造とされる。そのため、当該基板の歪みによる固定部の変位が、固定部が２つの駆動梁の外側に配置された従来の振動型角速度センサに比べて小さくなる。以下、上記した構造の従来の振動型角速度センサを単に「従来のセンサ」という。したがって、従来のセンサに比べて、基板の歪みによる角速度の検出精度の低下が抑制され、防振性能および基板の歪みに対するロバスト性が向上した振動型角速度センサとなる。

　なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の振動型角速度センサを示す平面模式図である。 振動型角速度センサの基本動作時の様子を示した模式図である。 振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子を示した模式図である。 図３における第１検出梁の変位の様子を示した拡大図である。 第２実施形態の振動型角速度センサを示す平面模式図である。

　以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

　（第１実施形態）
　第１実施形態の振動型角速度センサ、いわゆるジャイロセンサについて説明する。

　本実施形態の振動型角速度センサは、角速度を検出するためのセンサであり、例えば車両の上下方向に平行な中心線周りの回転角速度の検出に用いられるが、勿論、車両用以外の用途に適用されることもできる。

　図１は、本実施形態にかかる振動型角速度センサの平面模式図である。振動型角速度センサは、図１の紙面法線方向が車両の上下方向と一致するようにして車両に搭載される。

　振動型角速度センサは、板状の基板１０の一面側に形成されている。基板１０は、支持基板１１と半導体層１２とで図示しない犠牲層となる埋込酸化膜を挟み込んだ構造とされたＳＯＩ（Silicon on insulator）基板にて構成されている。このようなセンサ構造は、半導体層１２側をセンサ構造体のパターンにエッチングしたのち埋込酸化膜を部分的に除去し、センサ構造体の一部がリリースされた状態にすることで構成される。

　なお、半導体層１２の表面に平行な面上の一方向であって紙面左右方向をｘ軸方向、このｘ軸方向に垂直な紙面上下方向をｙ軸方向、半導体層１２の一面に垂直な方向をｚ軸方向として、以下の説明を行う。また、本実施形態では、ｙ軸方向については、後述する複数の錘３１～３６の一方向であり、ｘ軸方向については、この一方向に対して垂直な方向である例について説明する。

　半導体層１２は、固定部２０と可動部３０および梁部４０とにパターニングされている。固定部２０は、少なくともその裏面の一部に埋込酸化膜が残されており、支持基板１１からリリースされることなく、埋込酸化膜を介して支持基板１１に固定された状態とされている。可動部３０および梁部４０は、振動型角速度センサにおける振動子を構成するものである。可動部３０は、その裏面側の埋込酸化膜が除去されており、支持基板１１からリリースされた状態とされている。梁部４０は、可動部３０を支持すると共に角速度検出を行うために可動部３０をｘ軸方向およびｙ軸方向において変位させるものである。これら固定部２０と可動部３０および梁部４０の具体的な構造を説明する。

　固定部２０は、可動部３０を支持するための支持用固定部としての機能を果たす。固定部２０は、図１に示すように、例えば上面視にて後述する２つの駆動梁４２の間の領域内に配置され、６箇所において梁部４０を介して可動部３０を支持している。固定部２０の具体的な配置とこれによる効果については、センサ構造体全体のレイアウトを説明した後に述べる。

　ここでは、図１に示すように、支持用固定部として機能する固定部２０のみを備える例について説明したが、本実施形態のジャイロセンサは、他の固定部、例えば図示しないパッドなどが形成されるパッド用固定部などが別途備えられた構造とされても良い。

　可動部３０は、角速度の印加に応じて変位する部分であり、複数の錘３１～３６、すなわち外側駆動錘３１、３２、内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６を有した構成とされている。可動部３０は、外側駆動錘３１、検出錘３５を備える内側駆動錘３３、検出錘３６を備える内側駆動錘３４および外側駆動錘３２がこの順にｘ軸方向に沿って並べられたレイアウトとされている。つまり、検出錘３５、３６を内部に備えた２つの内側駆動錘３３、３４が内側に並べられていると共に、それら２つの内側駆動錘３３、３４を挟み込むように両外側にさらに外側駆動錘３１、３２を１つずつ配置した構造としている。

　外側駆動錘３１、３２は、ｙ軸方向に延設されている。外側駆動錘３１は、内側駆動錘３３と対向配置され、外側駆動錘３２は、内側駆動錘３４と対向配置されている。これら外側駆動錘３１、３２は、質量部として機能し、梁部４０に含まれる各種梁よりも太くされ、検出用の駆動振動を行う際にｙ軸方向に移動可能とされている。

　内側駆動錘３３、３４は、四角形状の枠体形状とされている。これら内側駆動錘３３、３４は、質量部として機能し、梁部４０に含まれる各種梁よりも太くされ、ｙ軸方向に移動可能とされている。四角形状で構成された内側駆動錘３３、３４の相対する二辺がそれぞれｘ軸方向とｙ軸方向に平行とされている。そして、内側駆動錘３３、３４のうち、ｙ軸方向に平行とされた二辺のうちの一辺が外側駆動錘３１、３２と対向配置されており、もう一辺が内側駆動錘３３、３４の他方と対向配置されている。

　検出錘３５、３６は、四角形状とされており、後述する梁部４０のうちの検出梁４１を介して内側駆動錘３３、３４の内壁面に支持されている。検出錘３５、３６も質量部として機能し、駆動振動によって内側駆動錘３３、３４と共にｙ軸方向に移動させられるが、角速度印加時にはｘ軸方向に移動させられる。

　梁部４０は、検出梁４１と、駆動梁４２および支持部材４３を有した構成とされている。

　検出梁４１は、内側駆動錘３３、３４の内壁面のうちｙ軸方向に平行な辺と検出錘３５、３６の外壁面のうちｙ軸方向に平行な辺とを接続している。本実施形態の場合、検出梁４１は、ｘ軸方向において位置をずらして検出錘３５、３６を支持する両持ち構造の梁とされている。より詳しくは、検出梁４１は、検出錘３５、３６それぞれにおけるｘ軸方向の両側に配置されており、一方を第１検出梁４１ａ、もう一方を第２検出梁４１ｂとして、検出錘３５、３６をｘ軸方向両側で支持した構造とされている。また、第１検出梁４１ａおよび第２検出梁４１ｂは、共に、ｙ軸方向の中央部を連結部４１ｃとして、連結部４１ｃにおいて内側駆動錘３３、３４の内壁と連結されている。そして、検出梁４１は、連結部４１ｃを中心とした両側において、検出錘３５、３６のｙ軸方向両端を支持している。

　このような構成においては、検出梁４１がｙ軸方向に沿った形状とされていることから、検出梁４１がｘ軸方向へ変位できる。この検出梁４１のｘ軸方向への変位により、検出錘３５、３６のｘ軸方向への移動が可能となっている。

　さらに、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとのバネ定数が異なった値とされている。本実施形態の場合、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとを半導体層１２をパターニングすることで形成していることから、これらを同じ材質で構成している。このため、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとのｘ軸方向の寸法を異ならせている。このような構成とされることで、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとのバネ定数が異なった値となっている。

　より詳しくは、各検出錘３５、３６のうちの内側、つまり検出錘３５のうちの検出錘３６側や検出錘３６のうちの検出錘３５側が第１検出梁４１ａとされ、その反対側が第２検出梁４１ｂとされている。そして、第１検出梁４１ａの方が第２検出梁４１ｂよりもｘ軸方向の寸法が大きくされることで、バネ定数が大きな値とされている。

　駆動梁４２は、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を連結すると共に、これら外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４のｙ軸方向への移動を可能とするものである。一方の外側駆動錘３１、一方の内側駆動錘３３、他方の内側駆動錘３４および他方の外側駆動錘３２は、この順番に並べられた状態で駆動梁４２によって連結されている。

　具体的には、駆動梁４２は、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁である。駆動梁４２は、複数の錘３１～３６の一方向、すなわち図１中のｙ軸方向において、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を挟んだ両側に一本ずつ配置されている。言い換えると、駆動梁４２は、複数の錘３１～３６の一方向の一端側と該一方向の他端側において複数の錘３１～３６を挟む配置とされている。そして、駆動梁４２は、それぞれ、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４に接続されている。駆動梁４２と外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４とは直接接続されていても良いが、例えば本実施形態では駆動梁４２と内側駆動錘３３、３４とは、連結部４２ａを介して接続されている。

　支持部材４３は、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６を支持するものである。具体的には、支持部材４３は、固定部２０と駆動梁４２との間に備えられており、駆動梁４２を介して上記各錘３１～３６を固定部２０に支持する。

　支持部材４３は、回転梁４３ａと支持梁４３ｂおよび連結部４３ｃとを有した構成とされている。回転梁４３ａは、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、その両端に支持梁４３ｂが接続されていると共に、ｘ軸方向における中央位置に連結部４３ｃが接続されている。この回転梁４３ａは、センサ駆動時に連結部４３ｃを中心としてＳ字状に波打って撓む。支持梁４３ｂは、回転梁４３ａの両端を固定部２０に接続するものであり、本実施形態では直線状部材とされている。この支持梁４３ｂは、衝撃などが加わった時に各錘３１～３６がｘ軸方向に移動することを許容する役割も果たしている。連結部４３ｃは、支持部材４３を駆動梁４２に接続する役割を果たしている。

　なお、支持部材４３は、本実施形態では、図１に示すように、連結部４３ｃのｙ軸方向の寸法が支持梁４３ｂのｙ軸方向の寸法よりも短くされ、回転梁４３ａのｙ軸方向の寸法が連結部４３ｃのｘ軸方向の寸法よりも短くされている。しかし、支持部材４３の各構成要素の寸法や形状については、上記の例に限られず、適宜設計変更されてもよい。

　さらに、振動型角速度センサには、駆動部５０と検出部６０とが備えられている。

　駆動部５０は、可動部３０や梁部４０などのセンサ構造体を駆動振動させるためのものである。具体的には、駆動部５０は、各駆動梁４２の両端それぞれに設けられた駆動圧電膜５１や駆動配線５２などによって構成されている。

　駆動圧電膜５１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛の略）薄膜などによって構成され、駆動配線５２を通じて駆動電圧が印加されることでセンサ構造体を駆動振動させる力を発生させる。駆動圧電膜５１は、各駆動梁４２の両端それぞれに２つずつ備えられており、センサ構造体の外縁側に位置しているものが外側圧電膜５１ａとされ、外側圧電膜５１ａよりも内側に位置しているものが内側圧電膜５１ｂとされている。これら外側圧電膜５１ａと内側圧電膜５１ｂは、ｘ軸方向に延設されており、各配置場所で平行に並んで形成されている。

　駆動配線５２は、外側圧電膜５１ａや内側圧電膜５１ｂに対して駆動電圧を印加する配線である。駆動配線５２については、図中では一部のみしか記載していないが、実際には駆動梁４２から支持部材４３を通じて固定部２０まで延設されている。そして、固定部２０に形成された図示しないパッドを介してワイヤボンディングなどにより、駆動配線５２が外部と電気的に接続されている。これにより、駆動配線５２を通じて、外側圧電膜５１ａや内側圧電膜５１ｂに対して駆動電圧を印加できるようになっている。

　検出部６０は、角速度印加に伴う検出梁４１の変位を電気信号として出力する部分である。本実施形態の場合、検出部６０は、検出梁４１のうちバネ定数が大きくされた第１検出梁４１ａに形成されており、検出圧電膜６１ａ～６１ｄ、ダミー圧電膜６２ａ～６２ｄおよび検出配線６３を備えた構成とされている。

　検出圧電膜６１ａ～６１ｄは、ＰＺＴ薄膜などによって構成され、第１検出梁４１ａのうち、角速度印加によって第１検出梁４１ａが変位したときに引張応力が加わる位置に形成されている。具体的には、第１検出梁４１ａのうちの両端側ではｘ軸方向において検出錘３５、３６側、連結部４１ｃ側ではｘ軸方向において検出錘３５、３６から離れる側に検出圧電膜６１ａ～６１ｄが配置されている。

　ダミー圧電膜６２ａ～６２ｄは、ＰＺＴ薄膜などによって構成され、検出梁４１の対称性を保つために、検出圧電膜６１ａ～６１ｄと対称的に配置されている。すなわち、ダミー圧電膜６２ａ～６２ｄは、第１検出梁４１ａのうち、角速度印加によって第１検出梁４１ａが変位したときに圧縮応力が加わる位置に形成されている。具体的には、第１検出梁４１ａのうちの両端側ではｘ軸方向において検出錘３５、３６から離れる側、連結部４１ｃ側ではｘ軸方向において検出錘３５、３６側にダミー圧電膜６２ａ～６２ｄが配置されている。

　検出圧電膜６１ａ～６１ｄおよびダミー圧電膜６２ａ～６２ｄは、共にｙ軸方向に延設されており、各配置場所で平行に並んで形成されている。なお、ここでは、検出圧電膜６１ａ～６１ｄを一番変位が大きくなる引張応力が発生する部位に形成する例について説明したが、圧縮応力が発生する部位に形成しても良いし、引張応力が発生する部位と圧縮応力が発生する部位の両方に形成しても良い。

　例えば、検出圧電膜６１ａ～６１ｄは、図１中のｘ軸方向左側の第１検出梁４１ａでは圧縮応力が生じる部位に形成され、図１中のｘ軸方向右側の第１検出梁４１ａでは引張応力が生じる部位に形成されてもよいし、その逆であってもよい。

　また、ダミー圧電膜６２ａ～６２ｄについては必須ではなく、少なくとも検出圧電膜６１ａ～６１ｄが形成されていれば良い。

　検出配線６３は、検出圧電膜６１ａ～６１ｄに接続され、検出梁４１の変位に伴う検出圧電膜６１ａ～６１ｄの電気出力を取り出すものである。検出配線６３については、図中では省略して一部のみを記載してあるが、実際には内側駆動錘３３、３４や駆動梁４２から支持部材４３を通じて固定部２０まで延設されている。そして、検出配線６３は、固定部２０に形成された図示しないパッドを介してワイヤボンディングなどにより、外部と電気的に接続されている。これにより、検出部６０は、検出配線６３を通じて、検出圧電膜６１ａ～６１ｄの電気出力の変化を外部に伝えられる構成とされている。

　以上のような構造により、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６がそれぞれ２つずつ備えられた一対の角速度検出構造が備えられた振動型角速度センサが構成されている。そして、このように構成された振動型角速度センサにおいて、後述するように所望の感度が得られるようにしている。

　次に、固定部２０の配置とこれによる効果について説明する。

　固定部２０は、図１に示すように、上面視にて２つの駆動梁４２の間の領域、すなわち従来のセンサに比べて、振動型角速度センサが形成された領域における中心側の領域に配置されている。

　具体的には、本実施形態の振動型角速度センサは、図１の紙面上側の駆動梁４２に支持部材４３を介して連結された３つの固定部２０、および図１の紙面下側の駆動梁４２に支持部材４３を介して連結された３つの固定部２０の合計６つの固定部２０を備える。

　なお、以後の説明において、便宜的に、図１の紙面上側の駆動梁４２に連結された３つの固定部２０を上側固定部とし、図１の紙面下側の駆動梁４２に連結された３つの固定部２０を下側固定部とする。

　上側固定部および下側固定部は、図１に示すように、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間、内側駆動錘３３、３４の間、および外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間に、それぞれ１つずつ配置されている。そして、各上側固定部それぞれは、下側固定部と対向配置されている。本実施形態では、各上側固定部は、複数の錘３１～３６の一方向であるｙ軸方向に対して交差する方向、例えばｘ軸方向に沿った一直線上に並ぶ配置とされている。下側固定部についても、上側固定部と同様にｘ軸方向に沿った一直線上であって、上側固定部のなす直線と異なる一直線上に並ぶ配置とされている。

　また、本実施形態では、上側固定部は、各上側固定部とこれに連結された駆動梁４２とのｙ軸方向における距離がそれぞれ同じとなる配置とされている。そして、下側固定部は、上側固定部と同様に、各下側固定部とこれに連結された駆動梁４２とのｙ軸方向における距離がそれぞれ同じとなる配置とされている。

　なお、上側固定部同士、下側固定部同士および上側固定部と下側固定部との配置関係については、上記の例に限られず、適宜設計変更されてもよい。

　このように、本実施形態の振動型角速度センサでは、固定部が２つの駆動梁の外側に配置された従来のセンサに比べて、基板１０の中心側、すなわち当該センサ構造体が形成された領域の中心側に固定部２０が配置された構造とされている。これは、基板１０が熱などにより歪みが生じた場合に、この歪みに伴って固定部２０が変位する量を従来のセンサに比べて低減し、温度特性の低下や漏れ振動を抑制することができる構造となるためである。

　ここで、固定部２０が基板１０のうち外周側の領域に配置された場合と基板１０のうち中心側の領域に配置された場合であって、基板１０の歪みが生じたときに、それぞれの歪みが可動部３０に与える影響について具体的に検討する。

　熱などにより基板１０の歪みが生じた場合の基板１０の変位量は、一般的に、基板の外周側では基板の中心側に比べてその変位量が大きく、基板の中心側では基板の外周側に比べてその変位量が小さい。つまり、基板１０の歪みによる固定部２０への影響は、固定部２０が基板１０の中心側に配置された場合のほうが、固定部２０が基板１０の外周側に配置された場合に比べて小さい。

　ここで、固定部により支持された可動部を備える振動型角速度センサは、基板が熱などにより歪むと、その歪みにより固定部が変位し、この変位が支持部材を介して可動部に伝わることで温度特性の低下が生じる。そのため、基板１０の歪み影響が小さい領域に固定部２０が配置された構成とされることで、従来の振動型角速度センサに比べて、温度特性の低下が抑制された振動型角速度センサとなる。

　また、従来の振動型角速度センサは、固定部が基板の歪みに伴う変位量の大きい部位に配置されている状態、すなわち初期歪みが大きい状態であり、駆動振動が行われると、初期歪みが更に増幅されてしまう。つまり、従来の振動型角速度センサは、駆動振動が行われ、かつコリオリ力が印加されていない状態にもかかわらず、角速度の検出出力の原因となる振動、すなわち漏れ振動が増大されてしまう。そのため、従来の振動型角速度センサは、予期しない検出出力が増大してしまい、角速度の検出精度が低下し得る。

　これに対して、本実施形態の振動角速度センサは、２つの駆動梁４２の間、すなわち基板１０の歪みに伴う変位量の小さい部位に固定部２０が配置されており、初期歪みが小さい状態である。そのため、本実施形態の振動角速度センサは、従来の振動角速度センサに比べて、駆動振動が行われても漏れ振動が増幅されにくい構造とされており、予期しない検出出力が抑制され、角速度の検出精度が高くなる。

　なお、ここでいう「漏れ振動」とは、駆動振動が行われ、かつコリオリ力が印加されていない状態において、加工誤差や加工による歪みなどが原因で角速度の検出出力を発生させる予期しない振動のことをいう。

　続いて、このように構成された振動型角速度センサの作動について、図２～図４を参照して説明する。

　まず、振動型角速度センサの基本動作時の様子について図２を参照して説明する。各駆動梁４２の両端に配置された駆動部５０に対して所望の駆動電圧を印加し、その駆動電圧に基づいて各駆動錘３１～３４をｙ軸方向に振動させる。

　具体的には、紙面上方側の駆動梁４２のうち左端部に備えられた駆動部５０については、外側圧電膜５１ａにて引張応力が発生させられ、内側圧電膜５１ｂにて圧縮応力が発生させられるようにする。逆に、紙面上方側の駆動梁４２のうち右端部に備えられた駆動部５０については、外側圧電膜５１ａにて圧縮応力が発生させられ、内側圧電膜５１ｂにて引張応力が発生させられるようにする。これについては、紙面上方側の駆動梁４２の左右両側に配置された駆動部５０の外側圧電膜５１ａ同士もしくは内側圧電膜５１ｂ同士それぞれに逆位相の電圧を印加することによって実現できる。

　一方、紙面下方側の駆動梁４２のうち左端部に備えられた駆動部５０については、外側圧電膜５１ａにて圧縮応力が発生させられ、内側圧電膜５１ｂにて引張応力が発生させられるようにする。逆に、紙面下方側の駆動梁４２のうち右端部に備えられた駆動部５０については、外側圧電膜５１ａにて引張応力が発生させられ、内側圧電膜５１ｂにて圧縮応力が発生させられるようにする。これについても、紙面下方側の駆動梁４２の左右両側に配置された駆動部５０の外側圧電膜５１ａ同士もしくは内側圧電膜５１ｂ同士それぞれに逆位相の電圧を印加することによって実現できる。

　次に、各駆動部の外側圧電膜５１ａや内側圧電膜５１ｂで発生させられる応力が、引張応力については圧縮応力に切替えられ、圧縮応力については引張応力に切替えられるように、各外側圧電膜５１ａや内側圧電膜５１ｂへの印加電圧を制御する。そして、この後も、これらの動作を所定の駆動周波数で繰り返す。

　これにより、図２に示すように、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３とがｙ軸方向において互いに逆位相で振動させられる。また、外側駆動錘３２と内側駆動錘３４とがｙ軸方向において互いに逆位相で振動させられる。さらに、２つの内側駆動錘３３、３４がｙ軸方向において逆位相で振動させられ、２つの外側駆動錘３１、３２もｙ軸方向において逆位相で振動させられる。これにより、振動型角速度センサは、駆動モード形状にて駆動されることになる。

　なお、このときには、駆動梁４２がＳ字状に波打つことで各錘３１～３４のｙ軸方向への移動が許容されるが、回転梁４３ａと駆動梁４２とを接続している連結部４３ｃの部分については振幅の節、つまり不動点となり、殆ど変位しない。そして、衝撃などが加わった時には、支持梁４３ｂが変位することで、各錘３１～３６がｘ軸方向に移動することが許容され、衝撃による出力変化が緩和され、耐衝撃性が得られるようになっている。

　次に、振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子について図３を参照して説明する。上記した図２のような基本動作を行っている際に振動型角速度センサにｚ軸回りの角速度が印加されると、コリオリ力により、図３に示すように検出錘３５、３６がｙ軸と交差する方向、ここではｘ軸方向へ変位する。具体的には、検出錘３５、３６と内側駆動錘３３、３４とが検出梁４１を介して接続されているため、検出梁４１の弾性変形に基づいて検出錘３５、３６が変位する。そして、検出梁４１の弾性変形に伴って、第１検出梁４１ａに備えた検出圧電膜６１ａ～６１ｄに引張応力が加えられる。このため、加えられた引張応力に応じて検出圧電膜６１ａ～６１ｄの出力電圧が変化し、これが検出配線６３を通じて外部に出力される。この出力電圧を読み取ることで、印加された角速度を検出することができる。

　特に、検出圧電膜６１ａ～６１ｄを検出梁４１のうちの検出錘３５、３６との連結箇所や内側駆動錘３３、３４との連結箇所の近傍に配置していることから、図４に示すように検出圧電膜６１ａ～６１ｄに最も大きな引張応力が加えられる。このため、より検出圧電膜６１ａ～６１ｄの出力電圧を大きくすることが可能となる。

　このとき、本実施形態では検出梁４１について、バネ定数を異ならせた第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとによって構成していることから、次のような効果を得ることができる。

　まず、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとを異なるバネ定数で構成し、第１検出梁４１ａのｘ軸方向の寸法を大きくしている。このように、第１検出梁４１のｘ軸方向の寸法を大きくすると、検出圧電膜６１ａ～６１ｄの形成面積が広くなることから、第１検出梁４１の変位に対する検出圧電膜６１ａ～６１ｄの出力電圧の変化を大きくすることが可能となる。このため、振動型角速度センサの感度を向上させることが可能となる。

　しかしながら、第１検出梁４１ａのバネ定数を大きくすると、角速度印加時における検出錘３５、３６の変位の周波数（以下、検出振動周波数と言う）が高くなりすぎることが懸念される。このため、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとを異なるバネ定数で構成し、第１検出梁４１ａのｘ軸方向寸法を大きくしつつ、第２検出梁４１ｂのｘ軸方向寸法を抑えるようにしている。

　これにより、第１検出梁４１ａのバネ定数が大きくなったとしても、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂの双方のバネ定数を大きくしていないため、検出錘３５、３６の変位し易さを担保できる。そして、検出振動周波数が狙いの周波数帯となるようにでき、検出振動周波数が大きくなり過ぎることを抑制できる。

　本実施形態によれば、支持部材４３を介して駆動梁４２を固定する固定部２０が２つの駆動梁４２の間の領域、すなわち基板１０の歪み影響が外周側に比べて小さい中心側の領域に配置されている。そのため、基板１０が熱などにより歪んだとしても、２つの駆動梁の外側の領域、すなわち基板の外周側の領域に固定部が配置された従来のセンサに比べて、基板１０の歪みによる固定部２０の変位量およびこれに伴う可動部３０への影響が小さくなる。したがって、従来のセンサに比べて、固定部２０に支持された可動部３０の温度特性の低下や漏れ振動の発生が抑制され、防振性能および基板１０の歪みに対するロバスト性が向上した振動型角速度センサとなる。

　また、固定部２０の配置が２つの駆動梁４２の外側から内側へと変更されることにより、その分だけセンサ構造体全体のサイズを小さくすることができ、従来のセンサに比べて、小型化された振動型角速度センサとなる。

　（第２実施形態）
　第２実施形態の振動型角速度センサについて、図５を参照して説明する。

　本実施形態の振動型角速度センサは、図５に示すように、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間、内側駆動錘３３、３４の間、および外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間に、それぞれ１つずつ合計３つの固定部２０が配置されている。そして、各固定部２０それぞれは、支持部材４３を介して２つの駆動梁４２に接続されている。本実施形態の振動型角速度センサは、これらの点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

　固定部２０それぞれは、図５に示すように、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間、内側駆動錘３３、３４の間、および外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間であって、２つの駆動梁４２の間のｙ軸方向における中心位置に配置されている。そして、３つの固定部２０は、ｘ軸方向に沿った一直線上に並んで配置されている。

　固定部２０それぞれは、２つの支持部材４３が接続されており、支持部材４３を介して２つの駆動梁４２を連結している。また、固定部２０それぞれは、複数の錘３１～３６のい一方向であるｙ軸方向において２つの駆動梁４２のうちの一方との距離が、２つの駆動梁４２のうちの他方との距離と同じになるように配置されている。

　言い換えると、固定部２０は、２つの駆動梁４２の間の領域のうち外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間、内側駆動錘３３、３４の間、および外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間のそれぞれに１つのみ形成されている。そして、固定部２０は、支持部材４３を介して２つの駆動梁４２のそれぞれを支持しており、２つの駆動梁４２の共通の支持用固定部としての役割を果たす。これにより、本実施形態の振動型角速度センサは、基板１０のうち最も歪みによる影響が小さいｙ軸方向の中心に固定部２０が配置された構造となる。

　支持部材４３は、本実施形態では、上記第１実施形態よりも連結部４３ｃのｙ軸方向の寸法が長くされる一方で、回転梁４３ａおよび支持梁４３ｂについては上記第１実施形態と同じ寸法とされた構成とされている。ただし、支持部材４３は、上記の例に限られず、適宜設計変更されてもよい。

　本実施形態の振動型角速度センサは、上記第１実施形態に比べて、さらに固定部２０が基板１０の中心側に配置された構成とされている。そのため、基板１０が熱などにより歪んだとしても、上記第１実施形態に比べて、固定部２０の変位量がさらに小さくなる。したがって、基板１０の歪みによる温度特性の低下や漏れ振動が抑制され、角速度の検出精度がさらに向上することとなる。

　また、本実施形態の振動型角速度センサは、固定部２０が２つの駆動梁４２の間のｙ軸方向における中心位置に配置されているため、上記第１実施形態に比べて初期歪みがさらに小さくなる。そのため、本実施形態の振動型角速度センサは、漏れ振動がさらに抑えられることで、予期しない検出出力が抑制され、さらに角速度の検出精度が高い構造とされる。

　本実施形態によれば、従来のセンサに比べて、固定部２０に支持された可動部３０の温度特性の低下や漏れ振動が上記第１実施形態以上に抑制され、防振性能および基板１０の歪みに対するロバスト性がさらに向上した振動型角速度センサとなる。また、上記第１実施形態と同様の理由により、従来のセンサに比べて小型化された振動型角速度センサとなる。

　（他の実施形態）
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

　（１）例えば、上記各実施形態では、圧電型のジャイロセンサとされた例について説明したが、固定部２０が２つの駆動梁４２の間に配置された構成とされていればよく、静電型のジャイロセンサとされていてもよい。

　具体的には、静電型のセンサとされる場合、駆動部５０は、例えば、基板１０に形成された駆動用固定部、内側駆動錘３３、３４および外側駆動錘３１、３２に櫛歯状の駆動用可動電極を形成した構成とされる。そして、当該電極に静電引力を発生させることで、駆動圧電膜５１を用いることなく、可動部３０を振動駆動させることができる。また、検出部６０は、例えば、検出錘３５、３６を枠体状としつつ、基板のうち当該検出錘の内側に位置する領域に検出用固定部を設け、検出錘３５、３６および検出用固定部に櫛歯状の電極を設けた構成とされる。そして、可動部３０を駆動振動させている際に、コリオリ力が加わった際の駆動振動方向に対して垂直な方向における検出部６０の変位を測定することで、角速度を検出できる。このような静電型のセンサにおいても、固定部２０を２つの駆動梁４２の間に配置した構成とされることで、基板の歪みによる固定部２０の変位を抑え、防振性能および基板の歪みに対するロバスト性が向上した振動型角速度センサとなる。

　（２）上記各実施形態では、固定部２０が複数の錘３１～３６の一方向、すなわち図１中のｙ軸方向に対して垂直な方向であるｘ軸方向において、一直線上に配置された例について説明した。しかし、固定部２０は、２つの駆動梁４２の間に配置されていれば、従来のセンサに比べて可動部３０の温度特性の低下や漏れ振動を抑制する役割を果たすため、必ずしも直線上に配置されていなくてもよい。また、固定部２０が、一直線上に配置される場合において、複数の錘３１～３６の一方向に対して交差する方向のうち、垂直な方向以外の方向における直線上に配置されてもよい。

　また、上記各実施形態では、複数の錘３１～３６の一方向が、該複数の錘３１～３６の長手方向である例について説明したが、この一方向は、必ずしも長手方向でなくてもよい。例えば複数の錘３１～３６が正方形状とされた場合などであっても、複数の錘３１～３６が一方向の一端と該一方向の他端で２つの駆動梁４２に挟まれ、固定部２０が２つの駆動梁４２との間に配置されていればよい。

　（３）上記各実施形態では、平面駆動させ、当該平面に対する法線方向を軸とする回転の角速度を検出するいわゆるヨージャイロセンサとされた例について説明したが、これに限られず、ロールオーバージャイロセンサとされてもよい。このように、本開示にかかる振動型角速度センサは、固定部２０が２つの駆動梁４２の間の領域、すなわち基板１０の歪み影響の少ない中心側の領域に形成されていればよく、他の構成要素については適宜設計変更されてもよい。

Claims (4)

1. 　角速度を検出する振動型角速度センサであって、
   　一面を有する基板（１０）と、
   　前記一面上に形成された固定部（２０）と、
   　前記一面上に前記基板から離れて設けられ、互いに離れて配置された複数の錘（３１～３６）と、
   　前記一面上に前記基板から離れて設けられ、前記複数の錘の一方向の一端側および前記一方向における他端側において前記複数の錘を挟むように配置されると共に、前記複数の錘を介して連結された２つの直線状の駆動梁（４２）と、
   　前記固定部と前記駆動梁とを連結する支持部材（４３）と、
   　前記駆動梁を駆動振動させる駆動部（５０）と、
   　前記駆動梁を駆動振動させているときに、前記角速度が印加されると、該角速度の印加に伴う変位に応じた電気出力を発生させる検出部（６０）と、を備え、
   　前記複数の錘は、一対の検出錘（３５、３６）と、前記検出錘のうちの１つの周囲を囲むと共に前記検出錘に連結された一対の内側駆動錘（３３、３４）と、前記一対の内側駆動錘を挟んだ両側それぞれに配置された一対の外側駆動錘（３１、３２）と、により構成されており、
   　前記固定部は、前記一面に対する法線方向から見て、前記２つの駆動梁の間に設けられると共に、前記内側駆動錘同士の間および前記内側駆動錘と前記外側駆動錘との間に配置されている振動型角速度センサ。
2. 　前記固定部は、前記一方向に対して交差する方向に沿って直線上に配置されている請求項１に記載の振動型角速度センサ。
3. 　前記固定部は、前記２つの駆動梁の間の前記一方向における中心位置に配置されると共に、前記２つの駆動梁のそれぞれに前記支持部材を介して連結されている請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
4. 　前記固定部は、前記一方向において前記２つの駆動梁のうちの一方との距離が、前記２つの駆動梁のうちの他方との距離と同じになる配置とされている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の振動型角速度センサ。

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