JP6401911B2 - 角速度センサ及びセンサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、角速度センサ及び当該角速度センサに好適に利用可能なセンサ素子に関する。

角速度センサとして、いわゆる圧電振動式のものが知られている。このセンサにおいては、圧電体に交流電圧を印加して圧電体を励振する。この励振されている圧電体が回転されると、回転速度（角速度）に応じた大きさで、励振方向と直交する方向にコリオリの力が生じ、このコリオリの力によっても圧電体は振動する。そして、このコリオリの力に起因する圧電体の変形に応じて生じる電気信号を検出することにより、圧電体の角速度を検出することができる。このような角速度センサの圧電体の形状や圧電体の振動のモード等について種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１の第１実施形態の角速度センサの圧電体は、基部と、基部からｙ軸方向の一方側に延びる１対の駆動腕と、基部からｙ軸方向の他方側（駆動腕の延びる側とは反対側）へ延びる１対の検出腕とを有している。１対の駆動腕は、交流電圧が印加されることにより、その並び方向（ｘ軸方向）において互いに逆側に湾曲するように互いに逆の位相で励振される。圧電体がｙ軸回りに回転されると、ｚ軸方向にコリオリの力が生じ、１対の検出腕は、ｚ軸方向において互いに逆側に湾曲するように互いに逆の位相で振動する。この検出腕の変形に応じた電気信号が検出される。

また、特許文献２の第１実施形態及び第２実施形態の角速度センサの圧電体は、基部と、基部からｙ軸方向の一方側に延びる１対の駆動腕と、基部からｙ軸方向の前記一方側（駆動腕の延びる側と同一側）へ延びる１対の検出腕（カウンタバランス梁）とを有している。１対の駆動腕は、交流電圧が印加されることにより、その並び方向（ｘ軸方向）において互いに逆側に湾曲するように互いに逆の位相で励振される。特許文献１では、圧電体がｘ軸回りに回転されると、１対の検出腕は、コリオリの力によってｚ軸方向において互いに同一側に湾曲するように振動するとされている。そして、この検出腕の変形に応じた電気信号が検出される。この角速度センサでは、コリオリの力による１対の駆動腕のｚ軸方向の変形に応じた電気信号によってｙ軸回りの角速度も検出される。

特開２０１１−１４１２６６号公報 特開２００６−３０１２５号公報

特許文献１の角速度センサの圧電体（センサ素子）は、回転軸方向（ｙ軸方向）において長くなりがちであり、また、回転軸方向において短くすると、検出腕が短くなり、センサの感度が低下する。また、特許文献２の技術では、駆動腕（検出腕）の励振方向（ｘ軸方向）と、検出腕が角速度を検出する回転軸（ｘ軸）の半径方向とは一致していないから、コリオリの力を効率的に利用することが難しい。ひいては、検出感度が低下する。このように、種々の圧電体の形状や振動のモード等については、それぞれ短所（及び長所）があり、種々の用途に応じて適宜に選択されている。

従って、圧電体の形状や振動のモード等について新たな方式の角速度センサ及びセンサ素子が提供され、技術の豊富化が図られることが望ましい。例えば、小型化及び高感度化の両立が容易な角速度センサ及びセンサ素子が提供されることが望ましい。

本発明の一態様に係る角速度センサは、基部、前記基部から所定の延在方向において延びる１対のみの駆動腕、及び、前記基部から前記延在方向において延びる１対のみの検出腕を有する圧電体と、前記１対の駆動腕に電圧を印加して前記１対の駆動腕をその並び方向に励振する励振回路と、前記延在方向及び前記並び方向に交差する検出方向における前記１対の検出腕の振動によって生じる電気信号を検出する検出回路と、を有し、前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕は、前記１対の駆動腕の間又は両側に前記１対の検出腕が位置するように前記並び方向に並べられ、前記延在方向の同一側に延びており、前記励振回路は、前記１対の駆動腕が前記並び方向において互いに逆側へ変形するように互いに逆の位相で前記１対の駆動腕を励振し、前記検出回路は、前記１対の検出腕が前記検出方向において互いに逆側へ変形したときに前記１対の検出腕間において正負が同一の電気信号同士が加算されて生成された電気信号を検出する。

好適には、前記１対の駆動腕の両側に前記１対の検出腕が位置している。

好適には、前記検出方向において、前記１対の駆動腕の厚み及び前記１対の検出腕の厚みは、互いに同一であり、前記並び方向において、前記１対の検出腕の幅は、前記１対の駆動腕の幅よりも大きい。

好適には、前記基部は、前記並び方向の両側の側面のうちの、前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕側の領域に、その反対側の領域、並びに、前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕よりも、前記並び方向の外側に突出する１対の突部を有する。

好適には、前記基部のうち、前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕の互いに隣接する腕同士の間にて、これらの腕が延びる側へ面する面は、互いに隣接する腕同士の間の中央側ほど前記延びる側とは反対側へ位置するように２つの傾斜面で構成されており、前記突部のうち、前記延びる側へ面する面は、前記並び方向の外側ほど前記延びる側とは反対側へ位置する傾斜面で構成されている。

好適には、前記１対の検出腕それぞれには、前記検出方向に面する面に、前記延在方向に延びる溝が形成されており、前記１対の検出腕それぞれにおいて、前記溝の内壁面及び当該内壁面と反対側に面する外側面には、前記検出回路に接続される検出電極が設けられている。

本発明の一態様に係るセンサ素子は、基部、前記基部から所定の延在方向において延びる１対のみの駆動腕、及び、前記基部から前記延在方向において延びる１対のみの検出腕を有する圧電体と、前記１対の駆動腕間で互いに同一の位置に設けられた複数の第１励振電極と、前記１対の駆動腕間で互いに同一の位置に設けられ、各駆動腕において前記第１励振電極との間に電圧が印加されることにより各駆動腕をその並び方向に励振可能に配置された複数の第２励振電極と、前記１対の検出腕間で互いに同一の位置に設けられた複数の第１検出電極と、前記１対の検出腕間で互いに同一の位置に設けられ、前記延在方向及び前記並び方向に交差する検出方向に各検出腕が振動されることにより、各検出腕において前記第１検出電極との間に電位差が生じる位置に配置された複数の第２検出電極と、を有し、前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕は、前記１対の駆動腕の間又は両側に前記１対の検出腕が位置するように前記並び方向に並べられ、前記延在方向の同一側に延びており、一方の前記駆動腕の前記第１励振電極と他方の駆動腕の前記第２励振電極とが接続され、前記一方の駆動腕の前記第２励振電極と前記他方の駆動腕の前記第１励振電極とが接続され、一方の検出腕の前記第１検出電極と他方の検出腕の前記第２検出電極とが接続され、前記一方の検出腕の前記第２検出電極と前記他方の検出腕の前記第１検出電極とが接続されている。

上記の構成によれば、例えば、小型化及び高感度化を両立できる。

本発明の実施形態に係るセンサ素子の構成を示す斜視図。 図１のセンサ素子の平面図。 図３（ａ）は図２のIIIａ−IIIａ線における断面図、図３（ｂ）は駆動腕及び検出腕における電位等を説明する図。 図４（ａ）は１対の駆動腕のｘ軸方向における励振を説明するための模式図、図４（ｂ）は１対の検出腕のｘ軸方向における振動を説明するための模式図、図４（ｃ）は１対の検出腕のｚ軸方向における振動を説明するための模式図。 図１のセンサ素子の配線の一例を示す模式的な斜視図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の図面は、模式的なものである。従って、細部は省略されることがあり、また、寸法比率等は現実のものと必ずしも一致しない。

また、各図には、説明の便宜のために、直交座標系ｘｙｚを付している。なお、直交座標系ｘｙｚは、センサ素子（圧電体）の形状に基づいて定義されている。すなわち、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、結晶の電気軸、機械軸及び光軸を示すとは限らない。

同一又は類似する構成については、「第１駆動腕１１Ａ」、「第２駆動腕１１Ｂ」のように、同一名称に対して互いに異なる番号及びアルファベットを付して呼称することがあり、また、この場合において、単に「駆動腕１１」といい、これらを区別しないことがある。

図１は、本発明の実施形態に係るセンサ素子１の構成を示す斜視図である。図２は、センサ素子１の平面図である。

センサ素子１は、例えば、ｙ軸回りの角速度を検出する角速度センサ１０１を構成するものである。角速度センサ１０１は、圧電振動式のものであり、センサ素子１は、ｘ軸方向に励振され、ｚ軸方向にコリオリの力が生じるように構成されている。具体的には、以下のとおりである。

センサ素子１は、圧電体３と、圧電体３に電圧を印加するための第１励振電極５Ａ及び第２励振電極５Ｂ（図１）と、圧電体３に生じた電気信号を取り出すための第１検出電極７Ａ（図１）及び第２検出電極７Ｂ（図１）とを有している。

圧電体３は、その全体が一体的に形成されている。圧電体３は、単結晶であってもよし、多結晶であってもよい。また、圧電体３の材料は適宜に選択されてよく、例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＰＺＴである。

圧電体３において、電気軸乃至は分極軸（以下、両者を代表して分極軸のみに言及することがある。）は、ｘ軸に一致するように設定されている。なお、分極軸は、所定の範囲（例えば１５°以内）でｘ軸に対して傾斜していてもよい。また、圧電体３が単結晶である場合において、機械軸及び光軸は、適宜な方向とされてよいが、例えば、機械軸はｙ軸方向、光軸はｚ軸方向とされている。

圧電体３は、基部９と、基部９からｙ軸方向において延びる第１駆動腕１１Ａ、第２駆動腕１１Ｂ、第１検出腕１３Ａ及び第２検出腕１３Ｂとを有している。圧電体３においては、全て（１対）の駆動腕１１及び全て（１対）の検出腕１３が互いに同一側（ｙ軸方向の正側）に延びていることが一つの特徴となっている。

駆動腕１１は、電圧（電界）が印加されることによってｘ軸方向（以下、「励振方向」ということがある。）に励振される部分である。検出腕１３は、コリオリの力によってｚ軸方向（以下、「検出方向」ということがある。）に振動され、角速度に応じた電気信号を生成する部分である。基部９は、これら駆動腕１１及び検出腕１３を支持する部分である。これらの位置及び形状等は、例えば、以下のように設定されている。

圧電体３は、例えば、全体として厚さ（ｚ軸方向）が一定にされており、また、例えば、ｙ軸方向に延びる中心線ＣＬ０（図２）に対して線対称の形状に形成されている。

基部９は、例えば、概ね直方体状とされている。基部９の３軸方向の寸法比率は適宜に設定されてよい。例えば、基部９は、ｚ軸方向の大きさがｘ軸方向の大きさ及びｙ軸方向の大きさに比較して小さくされ、ひいては、概ね長方形の板状とされている。

基部９の両側の側面（ｘ軸方向の正側及び負側に面する面）には、駆動腕１１及び検出腕１３側（ｙ軸方向の正側）の領域に、その反対側（ｙ軸方向の負側）の領域よりもｘ軸方向の外側に突出する突部９ａが形成されている。突部９ａは、全ての駆動腕１１及び全ての検出腕１３よりもｘ軸方向の外側に突出している。突部９ａは、後述するように、最も外側の腕（本実施形態では１対の検出腕１３）の振動を好適化するためのものである。

突部９ａの形状及び大きさは、後述する作用が好適に得られるように適宜に設定されてよい。好適には、突部９ａのうち、ｙ軸方向の正側（腕が延びる側）に面する面は、基部９のｙ軸方向の正側の面の形状が、最も外側の腕（検出腕１３）を対称軸として線対称の形状になるように設定される。

例えば、本実施形態においては、基部９のうち、互いに隣接する腕同士の間にてｙ軸方向の正側に面する面は、互いに隣接する腕同士の間の中央側ほどｙ軸方向の負側（腕の延びる側とは反対側）へ位置するように２つの傾斜面９ｂによって構成されている。一方、突部９ａのｙ軸方向の正側の面は、ｘ軸方向の外側ほどｙ軸方向の負側に位置する傾斜面９ｃとされている。従って、基部９のｙ軸方向の正側に面する面は、検出腕１３の根元において、検出腕１３を対称軸として概ね線対称の形状となっている。なお、傾斜面９ｂ及び９ｃの傾斜角及び長さは、互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

なお、基部９のうち、互いに隣接する腕同士の間にてｙ軸方向の正側に面する面が２つの傾斜面９ｂによって構成されているのは、例えば、以下のように、この面を左右対称（ｘ軸方向において対称）の形状にするためである。互いに隣接する腕同士の間の隙間は、例えば、マスクを介した圧電体のエッチングにより形成される。圧電体は、エッチングに関して異方性を有することから、互いに隣接する腕同士の間の隙間を、この隙間に対応する矩形の開口を有するマスクを介してエッチングすると、腕の根元側の２つの角部には残渣が残り、且つ、この残渣は、２つの角部間で大きさが異なる。そこで、大きい方の残渣に相当する面積及び形状でマスクの開口を小さくしておくと、エッチングされた隙間の２つの角部の形状は、双方とも大きい残渣が残ったような形になる。すなわち、本実施形態のように、２つの腕の間の形状は、腕の根元側において左右対称の形状となる（概ね線対称の２つの傾斜面９ｂが形成される。）。

基部９のｚ軸方向の正側又は負側には、励振電極５及び検出電極７と接続された不図示の複数のパッドが設けられる。このパッドは、例えば、半田や導電性接着剤からなるバンプにより、実装基体（例えば回路基板）のパッド又は弾性端子に接着される。これにより、センサ素子１（圧電体３）は、駆動腕１１及び検出腕１３が振動可能な状態で支持される。

１対の駆動腕１１は、ｙ軸方向の正側に互いに並列に（平行に）延びている。１対の駆動腕１１は、例えば、中心線ＣＬ０に対して互いに線対称に配置されている。また、１対の駆動腕１１は、例えば、その形状も中心線ＣＬ０に対して互いに線対称とされている。従って、１対の駆動腕１１の励振方向（ｘ軸方向）等の固有振動数は互いに同一である。

駆動腕１１の具体的形状等は適宜に設定されてよい。例えば、駆動腕１１は、ｙ軸方向を長手方向とする直方体状とされている。なお、駆動腕１１は、先端の幅が大きくされたり（ハンマ形状にされたり）、ｚ軸方向の正側及び負側の面にｙ軸方向に延びる凹溝が形成されたりしてもよい。

駆動腕１１が励振方向（ｘ軸方向）に大きくなると励振方向における固有振動数は高くなり、駆動腕１１が延在方向（ｙ軸方向）に大きくなると励振方向における固有振動数は低くなる。従って、駆動腕１１の幅（ｘ軸方向）及び長さ（ｙ軸方向）の寸法比率は、励振させたい周波数に応じて設定される。なお、ｘｚ断面の形状及び寸法は、駆動腕１１のｘ軸方向の固有振動数とｚ軸方向の固有振動数とが等しくなるように設定されることが好ましい。

１対の検出腕１３は、ｙ軸方向の正側に互いに並列に（平行に）延びており、その延びる方向は、１対の駆動腕１１の延びる方向と同一である。１対の検出腕１３は、１対の駆動腕１１の並び方向（ｘ軸方向）においてその両側に位置している。１対の検出腕１３は、例えば、中心線ＣＬ０に対して互いに線対称に配置されている。また、１対の検出腕１３は、例えば、その形状も、中心線ＣＬ０に対して互いに線対称とされている。従って、１対の検出腕１３の検出方向（ｚ軸方向）等の固有振動数は互いに同一である。

検出腕１３の具体的形状等は適宜に設定されてよい。例えば、検出腕１３の概略形状は、直方体とされている。この直方体においては、例えば、ｙ軸方向の大きさ＞ｘ軸方向の大きさ＞ｚ軸方向の大きさである。すなわち、検出腕１３は、ｙ軸方向を長手方向とし、ｚ軸方向を厚み方向とする概ね長方形の板状とされている。検出腕１３の幅（ｘ軸方向）は、例えば、駆動腕１１の幅よりも大きくされている。

また、例えば、検出腕１３は、ｚ軸方向に貫通し、ｙ軸方向に延びる１又は複数（本実施形態では複数）の貫通溝１３ａ（図３（ａ）も参照）が形成された形状とされている。別の観点では、検出腕１３は、基部９からｙ軸方向に延び、ｘ軸方向に並べられ、先端が互いに固定された複数の分割腕１３ｂを有している。分割腕１３ｂ（貫通溝１３ａ）のｘｚ断面の形状は例えば矩形である。貫通溝１３ａの根元側端部は、好ましくは基部９に到達している。

なお、検出腕１３は、貫通溝１３ａが設けられなくてもよいし、先端の幅が大きくされてもよい（ハンマ形状とされてもよい。）。

１対の駆動腕１１及び１対の検出腕１３において、互いに隣接する腕同士の間隔は適宜に設定されてよい。例えば、振動している腕同士が接触しない範囲で、できる限り小さくされてよい。また、１対の駆動腕１１同士の間隔（内側の１対の腕同士の間隔）と、互いに隣接する駆動腕１１と検出腕１３との間隔とは、互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

図３（ａ）は、図２のIIIａ−IIIａ線における断面図である。図３（ａ）においては、第２駆動腕１１Ｂ及び第２検出腕１３Ｂの断面を示しているが、第１駆動腕１１Ａ及び第１検出腕１３Ａの断面も同様である。

図１、図２及び図３（ａ）に示すように、励振電極５は、駆動腕１１の表面に形成された層状電極である。また、検出電極７は、検出腕１３の表面に形成された層状電極である。これらの電極は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ等の適宜な金属によって形成されている。これらの電極の具体的な配置は、例えば、以下のとおりである。

図３（ａ）に示すように、第１励振電極５Ａは、各駆動腕１１において、ｚ軸方向の正側の面及びｚ軸方向の負側の面にそれぞれ設けられている。また、第２励振電極５Ｂは、各駆動腕１１において、ｘ軸方向の正側の面及びｘ軸方向の負側の面にそれぞれ設けられている。

２つの第１励振電極５Ａ及び２つの第２励振電極５Ｂは、例えば、駆動腕１１の各面を概ね覆うように設けられている。ただし、第１励振電極５Ａ及び第２励振電極５Ｂは、互いに短絡しないように、少なくとも一方（本実施形態では第１励振電極５Ａ）が各面よりも幅方向において小さく形成されている。

各駆動腕１１において、２つの第１励振電極５Ａは、例えば互いに同電位とされる。例えば、２つの第１励振電極５Ａは、圧電体３上の配線等により互いに接続されている。また、各駆動腕１１において、２つの第２励振電極５Ｂは、例えば互いに同電位とされる。例えば、２つの第２励振電極５Ｂは、圧電体３上の配線等により互いに接続されている。

なお、励振電極５の付加符号Ａ、Ｂは、直交座標系ｘｙｚに基づいて付されている。従って、例えば、後述するように、本実施形態では、第１駆動腕１１Ａの第１励振電極５Ａと、第２駆動腕１１Ｂの第１励振電極５Ａとは同電位でなはい。

検出電極７は、各分割腕１３ｂに設けられている。すなわち、検出電極７は、検出腕１３のｘ軸方向の外側面だけでなく、複数の貫通溝１３ａの内壁面にも設けられている。

より具体的には、第１検出電極７Ａは、各分割腕１３ｂにおいて、ｘ軸方向の負側の面のうちのｚ軸方向の正側の領域、及び、ｘ軸方向の正側の面のうちのｚ軸方向の負側の領域にそれぞれ設けられている。第２検出電極７Ｂは、各分割腕１３ｂにおいて、ｘ軸方向の負側の面のうちのｚ軸方向の負側の領域、及び、ｘ軸方向の正側の面のうちのｚ軸方向の正側の領域にそれぞれ設けられている。第１検出電極７Ａ及び第２検出電極７Ｂは、互いに短絡しないように適宜な間隔を空けて、分割腕１３ｂに沿って延びている。

各検出腕１３において、複数の第１検出電極７Ａは、例えば、圧電体３上の配線等により互いに接続されている。各検出腕１３において、複数の第２検出電極７Ｂは、例えば、圧電体３上の配線等により互いに接続されている。

なお、励振電極５と同様に、検出電極７の付加符号Ａ、Ｂは、直交座標系ｘｙｚに基づいて付されている。従って、例えば、後述するように、本実施形態では、第１検出腕１３Ａの第１検出電極７Ａと、第２検出腕１３Ｂの第１検出電極７Ａとは、互いに接続されない。

角速度センサ１０１は、以上に説明したセンサ素子１に加えて、励振電極５に電圧を印加する励振回路１０３と、検出電極７からの電気信号を検出する検出回路１０５とを有している。

励振回路１０３は、例えば、発振回路や増幅器を含んで構成されており、所定の周波数の交流電圧を第１励振電極５Ａと第２励振電極５Ｂとの間に印加する。なお、周波数は、角速度センサ１０１内にて予め定められていてもよいし、外部の機器等から指定されてもよい。

検出回路１０５は、例えば、増幅器や検波回路を含んで構成されており、第１検出電極７Ａと第２検出電極７Ｂとの電位差を検出し、その検出結果に応じた電気信号を外部の機器等に出力する。より具体的には、例えば、上記の電位差は、交流電圧として検出され、検出回路１０５は、検出した交流電圧の振幅に応じた信号を出力する。この振幅に基づいてｙ軸回りの角速度が特定される。また、検出回路１０５は、励振回路１０３の印加電圧と検出した電気信号との位相差に応じた信号を出力する。この位相差に基づいてｙ軸回りの回転の向きが特定される。

なお、励振回路１０３及び検出回路１０５は、全体として制御回路１０７を構成している。制御回路１０７は、例えば、チップＩＣによって構成されており、センサ素子１が実装される回路基板又は適宜な形状の実装基体に実装されている。

（動作説明）
図３（ｂ）は、駆動腕１１及び検出腕１３における電位等を説明する図であり、図３（ａ）に対応する模式図である。

第１励振電極５Ａに正の電位が付与され、第２励振電極に負の電位（又は基準電位）が付与されると、同図において矢印で示すような電界が生じる。一方、分極軸は、ｘ軸方向に一致している。従って、電界のｘ軸方向の成分に着目すると、駆動腕１１のうちｘ軸方向の一方側部分においては電界の向きと分極軸の向きは一致し、他方側部分においては電界の向きと分極軸の向きは逆になる。

その結果、駆動腕１１のうちｘ軸方向の一方側部分はｙ軸方向において収縮し、他方側部分はｙ軸方向において伸長する。そして、駆動腕１１は、バイメタルのようにｘ軸方向の一方側へ湾曲する。第１励振電極５Ａ及び第２励振電極５Ｂに印加される電圧が逆にされると、駆動腕１１は逆方向に湾曲する。このような原理により、交流電圧が第１励振電極５Ａ及び第２励振電極５Ｂに印加されると、駆動腕１１はｘ軸方向において振動する。

駆動腕１１及び検出腕１３は基部９によって連結されているから、駆動腕１１がｘ軸方向に振動すると、その振動が基部９を介して検出腕１３に伝達され、検出腕１３もｘ軸方向において振動する。具体的には、互いに隣接する駆動腕１１及び検出腕１３（中心線ＣＬ０に対してｘ軸方向の一方側又は他方側に位置する駆動腕１１及び検出腕１３）において、検出腕１３は、駆動腕１１の湾曲する側とは反対側に湾曲する。

センサ素子１がｙ軸回りに回転されると、ｘ軸方向において振動している検出腕１３には、慣性力の一つである、その角速度に応じた大きさのコリオリの力が加わる。その結果、検出腕１３はｚ軸方向において振動する。なお、駆動腕１１もｚ軸方向において振動する。

検出腕１３がｚ軸方向に湾曲すると、図３（ｂ）において矢印で示すように、ｚ軸方向に平行な電界が生じる。電界の向きは、ｘ軸（電極軸）方向の正側部分と負側部分とで互いに逆である。また、電界の向きは、電極軸の向きと、湾曲の向き（ｚ軸方向の正側又は負側）とで決定される。この電圧（電界）が第１検出電極７Ａ及び第２検出電極７Ｂに出力される。検出腕１３がｚ軸方向に振動すると、電圧は交流電圧として検出される。

ここで、上述のように、検出腕１３には複数の貫通溝１３ａが形成されており、検出電極７は、検出腕１３のｘ軸方向の正側及び負側の面だけでなく、貫通溝１３ａの内壁面にも設けられている。従って、検出電極７は、検出腕１３のｘ軸方向の外側面だけに設けられている場合に比較して、全体としての面積が大きくなっている。その結果、検出腕１３において生じる電荷を効率的に電気信号として取り出すことができる。

図４（ａ）は、１対の駆動腕１１のｘ軸方向における励振を説明するための模式的な平面図である。

第１駆動腕１１Ａ及び第２駆動腕１１Ｂは、励振方向（ｘ軸方向）において互いに逆側に変形するように互いに逆の位相（１８０°ずれた位相）で励振される。例えば、第１駆動腕１１Ａの第１励振電極５Ａと第２駆動腕１１Ｂの第２励振電極５Ｂとは互いに接続され、第１駆動腕１１Ａの第２励振電極５Ｂと第２駆動腕１１Ｂの第１励振電極５Ａとは互いに接続され、これらの第１励振電極５Ａと、第２励振電極５Ｂとの間に交流電圧が印加される。

図４（ｂ）は、２本の検出腕１３のｘ軸方向における振動を説明するための模式的な平面図である。

既に述べたように、駆動腕１１がｘ軸方向に振動すると、隣接する検出腕１３は、駆動腕１１が湾曲する側とは反対側へ湾曲するように、駆動腕１１とは逆の位相でｘ軸方向において振動する。１対の駆動腕１１は、互いに逆の位相で振動しているから、１対の検出腕１３は、互いに逆側に湾曲するように互いに逆の位相で振動する。

図４（ｃ）は、２本の検出腕１３のｚ軸方向における振動を説明するための模式的な斜視図である。より具体的には、図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示したように検出腕１３が湾曲している圧電体３が、中心線ＣＬ０回り（ｙ軸回り）に矢印ｙ５で示す方向へ回転した場合における、検出腕１３の湾曲状態を示す斜視図である。

１対の検出腕１３は、回転中心（中心線ＣＬ０）に対して、その半径方向（ｘ軸方向）の逆側に配置されている。また、１対の検出腕１３は、図４（ｂ）に示したように、一方が半径方向において外側（又は内側）へ湾曲するときに他方も半径方向の外側（又は内側）へ湾曲するように励振される。従って、１対の検出腕１３においてコリオリの力の向きは互いに逆である。その結果、図４（ｃ）に示すように、１対の検出腕１３はｚ軸方向において互いに逆側へ湾曲するように振動する。なお、特に図示しないが、１対の駆動腕１１も、コリオリの力によって、ｚ軸方向において互いに逆側へ振動する。

従って、例えば、第１検出腕１３Ａの第１検出電極７Ａと第２検出腕１３Ｂの第２検出電極７Ｂとが互いに接続され、第１検出腕１３Ａの第２検出電極７Ｂと第２検出腕１３Ｂの第１検出電極７Ａとが互いに接続されることにより、１対の検出腕１３において生じた電気信号は加算される。なお、ここで言う加算は、（基準電位に対する）正負が同一の電気信号同士の加算であり、正負が異なる電気信号の加算（減算）は含まない。

（配線の一例）
上記の動作説明においては、複数の励振電極５及び複数の検出電極７の接続関係について言及した。この接続関係を実現する配線の一例を図５に示す。

図５は、センサ素子１の斜視図である。ただし、この図は、配線を視認しやすいようにセンサ素子１を模式的に示している。例えば、圧電体３の形状は単純化されて示され、また、各種の電極は腕の大きさに対して小さく示されている。

この例において、第１パッド１５Ａ及び第２パッド１５Ｂは、複数の励振電極５に印加される電圧が入力されるパッドである。また、第３パッド１５Ｃ及び第４パッド１５Ｄは、複数の検出電極７からの信号を出力するためのパッドである。これらパッド１５は、基部９の適宜な位置に配置されてよい。例えば、これらパッド１５は、基部９のｚ方向の正側又は負側の面において、突部９ａよりも腕とは反対側の領域の４隅等に配置される。

第１パッド１５Ａからは、第１配線１７Ａが延びている。第１配線１７Ａは、第１駆動腕１１Ａの第１励振電極５Ａ及び第２駆動腕１１Ｂの第２励振電極５Ｂに接続されている。また、第２パッド１５Ｂからは、第２配線１７Ｂが延びている。第２配線１７Ｂは、第１駆動腕１１Ａの第２励振電極５Ｂ及び第２駆動腕１１Ｂの第１励振電極５Ａに接続されている。

第３パッド１５Ｃからは、第３配線１７Ｃが延びている。第３配線１７Ｃは、第１検出腕１３Ａの第１検出電極７Ａ及び第２検出腕１３Ｂの第２検出電極７Ｂに接続されている。また、第４パッド１５Ｄからは、第４配線１７Ｄが延びている。第４配線１７Ｄは、第１検出腕１３Ａの第２検出電極７Ｂ及び第２検出腕１３Ｂの第１検出電極７Ａに接続されている。

配線１７は、互いに交差しないように、基部９の４面及び各種の腕部の根元側部分及び先端側部分の４面等に適宜に配置され、また、適宜に分岐又は合流している。

なお、図５に示す配線は、あくまで一例であり、他の種々のパターンによって、動作説明において言及した電極の接続関係が実現されてよい。例えば、配線１７は、絶縁体を介して互いに立体交差するように設けられてもよい。

以上のとおり、本実施形態の角速度センサ１０１では、圧電体３は、基部９、基部９からｙ軸方向（延在方向）において延びる１対のみの駆動腕１１、及び、基部９からｙ軸方向において延びる１対のみの検出腕１３を有している。１対の駆動腕１１及び１対の検出腕１３は、１対の駆動腕１１の両側に１対の検出腕１３が位置するようにｘ軸方向（並び方向）に並べられ、ｙ軸方向の正側（延在方向の同一側）に延びている。励振回路１０３は、１対の駆動腕１１がｘ軸方向において互いに逆側へ変形するように互いに逆の位相で１対の駆動腕１１を励振し、検出回路１０５は、１対の検出腕１３がｚ軸方向（検出方向）において互いに逆側へ変形したときに１対の検出腕１３間において正負が同一の電気信号同士が加算されて生成された電気信号を検出する。

従って、センサ素子１のｙ軸回りの角速度の検出に関して、センサ素子１の小型化及び感度向上を両立させることが容易である。具体的には、駆動腕１１及び検出腕１３はｙ軸方向において同一側に延びていることから、検出腕１３を短くすることなく（すなわち、感度を低下させることなく）、センサ素子１全体がｙ軸方向において小型化される。また、検出腕１３（駆動腕１１）の励振方向は、各速度が検出される回転軸（ｙ軸）の半径方向であるから、コリオリの力が効果的に生じ、感度が向上する。

また、本実施形態では、１対の駆動腕１１の両側に１対の検出腕１３が位置している。従って、圧電体３がｙ軸回りに回転するときに、検出腕１３に作用するモーメントが大きくなり、感度が向上する。

また、本実施形態では、検出方向（ｚ軸方向）において、１対の駆動腕１１の厚み及び１対の検出腕１３厚みは、互いに同一であり、並び方向（ｘ軸方向、励振方向）において、１対の検出腕１３の幅は、１対の駆動腕１１の幅よりも大きい。従って、一定厚みの圧電基板のエッチングによって、厚みが互いに同一の駆動腕１１及び検出腕１３を形成する場合において、検出腕１３の質量を確保しやすく、ひいては、感度を向上させやすい。

また、本実施形態では、基部９は、腕の並び方向（ｘ軸方向）の両側の側面のうちの、１対の駆動腕１１及び１対の検出腕１３側（ｙ軸方向の正側）の領域に、その反対側（ｙ軸方向の負側）の領域、並びに、全ての腕（１１及び１３）よりも、腕の並び方向（ｘ軸方向）の外側に突出する１対の突部９ａを有している。

従って、外側の腕（本実施形態では検出腕１３）が振動に関して基部９から受ける影響は、突部９ａが設けられていない場合に比較して、ｘ軸方向において対称化される。その結果、検出精度が向上する。

当該効果は、基部９のうち、１対の駆動腕１１及び１対の検出腕１３の互いに隣接する腕同士の間にて、これらの腕が延びる側（ｙ軸方向の正側）へ面する面が、互いに隣接する腕同士の間の中央側ほどｙ軸方向の正側とは反対側へ位置するように２つの傾斜面９ｂで構成されている場合においては、突部９ａのうち、ｙ軸方向の正側へ面する面が、ｘ軸方向の外側ほどｙ軸方向の負側へ位置する傾斜面９ｃで構成されているときにより顕著となる。

また、本実施形態では、１対の検出腕１３それぞれには、ｚ軸方向（検出方向）に面する面に、ｙ軸方向（腕の延在方向）に延びる貫通溝１３ａが形成されており、１対の検出腕１３それぞれにおいて、貫通溝１３ａの内壁面及び当該内壁面と反対側に面する外側面には、検出回路１０５に接続される検出電極７が設けられている。

従って、既に述べたように、検出電極７の面積を全体として広くして効果的に電荷を取り出すことができ、感度が向上する。さらに、上述した、検出腕１３の長さが確保されたり、励振方向が回転軸の半径方向とされたり、検出腕１３が外側に配置されたりすることなどによる感度向上と相俟って、全体として高感度のセンサ素子１が得られる。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

１対の駆動腕と、１対の検出腕との位置関係は、実施形態とは逆であってもよい。すなわち、１対の駆動腕の内側に、１対の検出腕が位置していてもよい。この場合において、電圧印加による駆動腕（検出腕）の振動方向（励振方向）、及び、検出腕のコリオリの力による振動方向（検出方向）等は、実施形態と同様でよい。

検出腕の貫通溝は凹溝とされてもよい。この場合、ｚ軸方向の両面に凹溝を形成して各凹溝の内面に検出電極を設けてもよいし、ｚ軸方向の一方の面に深い凹溝を形成してその内面に検出電極を設けてもよい。また、駆動腕に、検出腕の貫通溝のように、先端の手前まで延びる貫通溝が形成されてもよい。この場合であっても、駆動腕はバイメタルのように振動可能である。

１…センサ素子、３…圧電体、９…基部、１１Ａ…第１駆動腕、１１Ｂ…第２駆動腕、１３Ａ…第１検出腕、１３Ｂ…第２検出腕、１０１…角速度センサ、１０３…励振回路、１０５…検出回路。

Claims (5)

1. 基部、前記基部から所定の延在方向において延びる１対のみの駆動腕、及び、前記基部から前記延在方向において延びる１対のみの検出腕を有する、水晶からなる圧電体と、
   前記１対の駆動腕に電圧を印加して前記１対の駆動腕をその並び方向に励振する励振回路と、
   前記延在方向及び前記並び方向に交差する検出方向における前記１対の検出腕の振動によって生じる電気信号を検出する検出回路と、
   を有し、
   前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕は、前記１対の駆動腕の両側に前記１対の検出腕が位置するように前記並び方向に並べられ、前記延在方向の同一側に延びており、
   前記励振回路は、前記１対の駆動腕が前記並び方向において互いに逆側へ変形するように互いに逆の位相で前記１対の駆動腕を励振し、
   前記検出回路は、前記１対の検出腕が前記検出方向において互いに逆側へ変形したときに前記１対の検出腕間において正負が同一の電気信号同士が加算されて生成された電気信号を検出し、
   前記並び方向において、前記１対の検出腕の幅は、前記１対の駆動腕の幅よりも大きく、
   前記１対の検出腕それぞれには、前記検出方向に面する面に、互いに並列に前記延在方向に延びる複数の溝が形成されており、
   前記１対の検出腕それぞれにおいて、前記複数の溝の内壁面及び前記並び方向の両側に面する１対の外側面には、前記検出回路に接続される複数の検出電極が設けられており、
   前記１対の駆動腕の中心線間の距離は、互いに隣り合う前記駆動腕と前記検出腕との中心線間の距離よりも短い
   角速度センサ。
2. 前記検出方向において、前記１対の駆動腕の厚み及び前記１対の検出腕の厚みは、互いに同一である
   請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記基部は、前記並び方向の両側の側面のうちの、前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕側の領域に、その反対側の領域、並びに、前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕よりも、前記並び方向の外側に突出する１対の突部を有する
   請求項１又は２に記載の角速度センサ。
4. 前記基部のうち、前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕の互いに隣接する腕同士の間にて、これらの腕が延びる側へ面する面は、互いに隣接する腕同士の間の中央側ほど前記延びる側とは反対側へ位置するように２つの傾斜面で構成されており、
   前記突部のうち、前記延びる側へ面する面は、前記並び方向の外側ほど前記延びる側とは反対側へ位置する傾斜面で構成されている
   請求項３に記載の角速度センサ。
5. 基部、前記基部から所定の延在方向において延びる１対のみの駆動腕、及び、前記基部から前記延在方向において延びる１対のみの検出腕を有する、水晶からなる圧電体と、
   前記１対の駆動腕間で互いに同一の位置に設けられた複数の第１励振電極と、
   前記１対の駆動腕間で互いに同一の位置に設けられ、各駆動腕において前記第１励振電極との間に電圧が印加されることにより各駆動腕をその並び方向に励振可能に配置された複数の第２励振電極と、
   前記１対の検出腕間で互いに同一の位置に設けられた複数の第１検出電極と、
   前記１対の検出腕間で互いに同一の位置に設けられ、前記延在方向及び前記並び方向に交差する検出方向に各検出腕が振動されることにより、各検出腕において前記第１検出電極との間に電位差が生じる位置に配置された複数の第２検出電極と、
   を有し、
   前記１対の駆動腕及び前記１対の検出腕は、前記１対の駆動腕の両側に前記１対の検出腕が位置するように前記並び方向に並べられ、前記延在方向の同一側に延びており、
   一方の前記駆動腕の前記第１励振電極と他方の駆動腕の前記第２励振電極とが接続され、前記一方の駆動腕の前記第２励振電極と前記他方の駆動腕の前記第１励振電極とが接続され、
   一方の検出腕の前記第１検出電極と他方の検出腕の前記第２検出電極とが接続され、前記一方の検出腕の前記第２検出電極と前記他方の検出腕の前記第１検出電極とが接続され、
   前記並び方向において、前記１対の検出腕の幅は、前記１対の駆動腕の幅よりも大きく、
   前記１対の検出腕それぞれには、前記検出方向に面する面に、互いに並列に前記延在方向に延びる複数の溝が形成されており、
   前記１対の検出腕それぞれにおいて、前記複数の溝の内壁面及び前記並び方向の両側に面する１対の外側面には、前記複数の第１検出電極及び前記複数の第２検出電極が設けられており、
   前記１対の駆動腕の中心線間の距離は、互いに隣り合う前記駆動腕と前記検出腕との中心線間の距離よりも短い
   センサ素子。

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