WO2019017277A1

WO2019017277A1 - 振動型角速度センサ

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Publication number: WO2019017277A1
Application number: PCT/JP2018/026366
Authority: WO
Inventors: 知也城森
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2019-01-24
Also published as: JP2019020339A; JP6733621B2; US11365970B2; US20200088519A1

Abstract

角速度を検出する振動型角速度センサであって、基板（１０）と、基板上に形成された固定部（２０）に支持部材（４３）を介して支持された駆動梁（４２）と、駆動梁に支持された駆動錘（３３、３４）と、駆動錘に対して、検出梁（４１）を含む梁部（４０）を介して支持された検出錘（３５、３６）と、検出梁に備えられ、角速度の印加に基づいて検出錘が一方向に移動すると、該検出錘の移動に伴う検出梁の変位に応じた電気出力を発生させる検出部（６０）と、を備え、検出錘は、検出梁を介して駆動錘に接続され、駆動錘を介して固定部に接続されており、駆動梁を駆動させた際に駆動錘および検出錘が振動する方向を振動方向として、駆動梁により駆動錘および検出錘が駆動振動をしている際に角速度が印加されると、検出梁が振動方向と交差する方向に変位し、該検出梁の変位に伴って検出圧電膜の出力電圧が変化することに基づいて角速度を検出する。

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７月２０日に出願された日本特許出願番号２０１７－１４１１４５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、音叉型であって圧電薄膜式の振動型角速度センサとして、例えば特許文献１に記載のジャイロセンサが知られている。このジャイロセンサは、２つのアームとこれらを連結する基部とによりなり、非圧電材料からなる音叉と、アームの一面上にアームの長手方向と揃えて形成され、圧電膜と当該圧電膜を隔てて対向する２つの電極により構成された、駆動部および検出部とを有してなる。そして、駆動部によりアームをアームの一面における平面方向に所定の駆動振動をさせ、角速度印加時に駆動振動の方向と交差する方向に検出部が振動させられることで角速度の検出を行う。

特開２００３－２２７７１９号公報

　上記のような音叉型のジャイロセンサは、検出部が、アームの長手方向に対する垂直方向における中心線上に沿って設けられ、かつ当該中心線に対して対称配置された構造とされると、理想的には検出部における引張りと圧縮が等面積で起きる。すなわち、理想的には、駆動部を駆動振動させた際、検出部の駆動振動方向における引張りと圧縮とがそれぞれ等面積で起きる。この場合、検出部において、駆動振動により生じる引張りにより起きる生じる電荷と圧縮により生じる電荷とが相殺されることで角速度の印加と無関係の信号がキャンセルされ、角速度の検出への影響が抑えられる。

　しかしながら、実際には、音叉、駆動部および検出部の加工における寸法誤差やアライメントの誤差などが生じるため、検出部の駆動振動方向における引張りと圧縮とが等面積でなくなり、これらの変形により生じる電荷が相殺されない。この場合、駆動振動により意図しない信号、すなわちノイズが発生する現象（以下「漏れ振動」という）が起きてしまい、角速度の検出精度が低下してしまう。

　本開示は、従来の振動型角速度センサに比べて、漏れ振動の発生を抑制できる構造とされ、角速度の検出精度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の観点におけ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、基板と、基板上に形成された固定部に支持部材を介して支持された駆動梁と、駆動梁に支持された駆動錘と、駆動錘に対して、検出梁を含む梁部を介して支持された検出錘と、検出梁に備えられ、角速度の印加に基づいて検出錘が一方向に移動すると、該検出錘の移動に伴う検出梁の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、検出錘は、検出梁を介して駆動錘に接続され、駆動錘を介して固定部に接続されており、駆動梁を駆動させた際に駆動錘および検出錘が振動する方向を振動方向として、駆動梁により駆動錘および検出錘が駆動振動をしている際に角速度が印加されると、検出梁が振動方向と交差する方向に変位し、該検出梁の変位に伴って検出圧電膜の出力電圧が変化することに基づいて角速度を検出する。

　これにより、検出梁が駆動梁を駆動振動させた際の検出梁の振動方向と交差する方向に変位する構造とされるため、駆動振動の際、検出梁は、駆動錘および検出錘とその振動方向が同じとなる。つまり、検出梁が駆動振動によって意図しない変形をすることが抑制され、漏れ振動の発生が抑制される構造となる。その結果、従来の振動型角速度センサに比べて、漏れ振動が抑制され、角速度の検出精度が向上した振動型角速度センサとなる。

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１検出梁のみを備え、第２検出梁を備えていない場合のバネ構造を示した模式図である。第１検出梁および第２検出梁を備えた場合のバネ構造を示した模式図である。第１実施形態の振動型角速度センサにおけるバネ構造を示した模式図である。加工誤差などに起因して検出錘が意図しない回転振動をした際における検出梁および検出圧電膜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、振動型角速度センサを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。

　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２１を有した構成とされている。

　支持用固定部２１は、例えば、可動部３０や梁部４０などのセンサ構造体の周囲を囲むように配置され、その内壁において梁部４０を介して可動部３０を支持している。ここでは、支持用固定部２１がセンサ構造体の周囲全域を囲む構造を例に挙げているが、その一部のみに形成された構造であっても構わない。なお、固定部２０は、支持用固定部２１と異なる他の固定部、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を備える構造であっても良い。

　可動部３０は、角速度の印加に応じて変位する部分であり、外側駆動錘３１、３２と内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６と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、可動部３０は、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が１つずつ配置された構造とされている。

　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と対向配置されている。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、後述する駆動梁４２および駆動部５０による駆動振動を行う際の振動方向である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、駆動錘３１～３４の振動方向であるｙ軸方向に沿って直線的に延設され、ｘ軸方向において位置をずらして振動方向の両端において検出錘３５、３６を支持する構造の梁とされている。そして、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は、駆動振動時における振動方向であるｙ軸方向を長手方向とする配置とされており、角速度が印加された場合などにおいては、振動方向に対して交差する方向である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は、ｘ軸方向への移動が可能とされている。

　なお、検出梁４１が駆動錘３１～３４および検出錘３５、３６の振動方向であるｙ軸方向を長手方向とする配置とされることで、本実施形態の振動型角速度センサは、漏れ振動が抑制される構造となる。この詳細については、後ほど説明する。

　さらに、本実施形態では、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、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おり、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とが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、支持用固定部２１の内壁面と駆動梁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を支持用固定部２１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の両端を支持用固定部２１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。

　さらに、本実施形態の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、検出圧電膜６１ａ～６１ｄ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側に配置され、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、ダミー圧電膜６２ａ～６２ｄ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から離れる側に配置され、連結部４１ｃ側ではｘ軸方向において検出錘３５、３６側に配置されている。

　検出圧電膜６１ａ～６１ｄおよびダミー圧電膜６２ａ～６２ｄは、共に検出錘３５、３６の駆動振動の方向である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、角速度印加時に、図１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。

　検出圧電膜６１ａ～６１ｄは、検出梁４１の長手方向に対して垂直な方向、かつ該長手方向における中心位置を通る直線に対して対称とされた配置（以下、単に「線対称配置」という）とされている。また、図１のｘ軸方向左側の第１検出梁４１ａと右側の第１検出梁４１ａとにおいて、それぞれの検出圧電膜６１ａ～６１ｄの配置が同じでもよいし、異なっていてもよいが、いずれの検出梁４１ａにおいても検出圧電膜６１ａ～６１ｄは線対称配置とされる。

　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。

　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。

　検出共振周波数は、感度に影響する。例えば、感度は、検出共振周波数の２乗分の１、もしくは、検出共振周波数分の１となり、検出共振周波数が大きくなるほど感度が低下する。したがって、上記のように、検出共振周波数が大きくなりすぎることを抑制して狙いの周波数帯となるようにすることで、第１検出梁４１ａのｘ軸寸法を大きくしても、感度低下を抑制することが可能となる。

　また、検出共振周波数が大きくなり過ぎることを抑制するのであれば、検出梁４１が検出錘３５、３６に対する片側にのみ配置された構造、つまり第１検出梁４１ａのみを備え、第２検出梁４１ｂを有しない構造も考えられる。

　しかしながら、このような構造とする場合には、図５Ａに示すように、検出錘３５、３６を片持ちした構造と等価となる。この場合、検出共振周波数は、次式となり、所望の周波数帯となるようにできるが、検出錘３５、３６が首振り振動、つまり振り子運動を行うような不要振動モードを発生させてしまう。このため、不要振動モードを抑制すると言う設計思想を実現することができなくなる。なお、図５Ａおよび後述する図５Ｂや下記の数式において、ｋはバネ定数、ｍは検出錘３５、３６の質量、Ｆｃは加えられた物理量を示している。

　これに対して、本実施形態のように、第１検出梁４１ａをｘ軸方向の寸法を大きくしたものとしつつ、ｘ軸方向の寸法を抑制した第２検出梁４１ｂを備えておくことで、図５Ｂに示すように、検出錘３５、３６を両持ちした構造と等価となるようにできる。これにより、検出錘３５、３６が首振り振動を行うような不要振動モードを発生させることを抑制できる。そして、第２検出梁４１ｂのバネ定数が第１検出梁４１ａのバネ定数よりも小さくされている。このため、検出共振周波数はほぼ第１検出梁４１ａのバネ定数に依存して決まり、第２検出梁４１ｂのバネ定数の影響は少なくできて、ほぼ上記数式１の検出共振周波数となる。したがって、上記したように、検出共振周波数が大きくなりすぎることを抑制して狙いの周波数帯となるようにできる。

　また、本実施形態では、検出梁４１は、検出錘３５、３６の駆動振動の方向であるｙ軸方向を長手方向とする配置とされていることから、次のような効果も得ることができる。

　本実施形態の振動型角速度センサは、図６に示すバネ構造とされ、内側駆動錘３３、３４を駆動振動により振動させると、検出錘３５、３６が内側駆動錘３３、３４と一体的に振動する構造とされている。そして、内側駆動錘３３、３４と検出錘３５、３６とを連結する検出梁４１についても、検出錘３５、３６と一体的に振動方向に沿って振動する。

　ここで、検出梁４１は、駆動振動の方向の両端において検出錘３５もしくは検出錘３６を支持しており、言い換えると、検出錘３５もしくは検出錘３６によって両端を固定されている。また、検出梁４１は、振動方向に沿って延設され、その長手方向を検出錘３５、３６の駆動振動の方向と同じｙ軸方向に揃えられているため、検出梁４１自体がいわば「つっかえ棒」としての役目を果たす。そのため、検出梁４１は、検出錘３５、３６と共に振動方向に一体的に振動するが、検出梁４１自身が振動方向における変形を妨げる配置とされている。

　そのため、駆動振動の際において、角速度が印加されていない状態では、検出バネとしての機能を果たす検出梁４１およびこの上に設けられた検出圧電膜６１ａ～６１ｄは、振動方向に沿った変形がしにくく、意図しないノイズが出力されにくい配置とされる。すなわち、本実施形態の振動型角速度センサは、検出圧電膜６１ａ～６１ｄに加工誤差などが生じた場合であっても、駆動振動に伴う意図しないノイズが出力されることが抑制される構造となる。

　また、検出梁４１自体は、上記のように駆動振動によって意図しない変形をしにくい配置とされているが、検出錘３５、３６などの加工誤差などに起因して、駆動振動時に意図しない検出錘３５、３６の回転振動が生じることもあり得る。このような漏れ振動が生じた場合であってもその影響を低減するため、検出梁４１は、その長手方向の中心位置において内側駆動錘３３もしくは内側駆動錘３４に接続され、かつ検出圧電膜６１ａ～６１ｄが該中心位置を中心として線対称配置されている。これにより、当該回転振動による検出圧電膜６１ａ、６１ｂの変形による信号と検出圧電膜６１ｃ、６１ｄの変形による信号とが相殺される構造となる。

　具体的には、図７に示すように、検出錘などに加工誤差が生じたことにより駆動振動時に意図しない回転振動が生じた場合について説明する。検出錘に意図しない回転振動が生じた場合、例えば図７に示すように検出圧電膜６１ａ、６１ｂでは圧縮応力が生じ、検出圧電膜６１ｃ、６１ｄでは引張応力が生じる。すなわち、図７に示す回転振動が生じると、検出圧電膜６１ａ、６１ｂと検出圧電膜６１ｃ、６１ｄとは、それぞれ逆方向の変形が起きることとなる。このとき、引張応力により検出圧電膜で生じる電流の方向を正とすると、圧縮応力により検出圧電膜で生じる電流の方向は負となる。そして、検出圧電膜６１ａ～６１ｄは、図１に示すように検出配線６３により電気的に接続されているため、正の電流と負の電流とが相殺されることで、意図しない回転振動による信号が抑えられる。そのため、検出梁４１および検出圧電膜６１ａ～６１ｄが上記の配置とされることにより、漏れ振動が生じることが抑えられる構造の振動型角速度センサとなる。

　本実施形態によれば、検出梁４１が検出錘３５、３６および駆動錘３１～３４の振動方向を長手方向とする配置とされており、駆動振動により意図しない変形をすることが抑制される構造となる。また、検出圧電膜６１ａ～６１ｄが、検出梁４１の長手方向における中心位置を中心とした線対称配置とされているため、検出錘３５、３６が意図しない回転振動をした場合であっても、当該回転振動により検出圧電膜６１ａ～６１ｄから生じる電荷が相殺される。その結果、検出梁４１が駆動振動による変形が抑制されると共に、仮に加工誤差等により意図しない回転振動が発生した場合でも、ノイズとなる信号が抑えられる構造、すなわち従来の振動型角速度センサに比べ、漏れ振動が抑制された振動型角速度センサとなる。

　また、第１検出梁４１ａのバネ定数と第２検出梁４１ｂのバネ定数とが異なる構造とされているため、従来の振動型角速度センサに比べて、角速度の検出感度の高い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８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８に示すように、第２検出梁４１ｂがそのｘ軸における寸法を第１検出梁４１ａと揃えた構造、すなわち、これらのバネ定数を合わせた構造とされた点で上記第１実施形態と相違する。

　第１検出梁４１ａおよび第２検出梁４１ｂのバネ定数が一致していても、検出梁４１が駆動振動の方向を長手方向とする配置とされていれば、駆動振動によって検出梁４１が意図しない変形をすることが抑えられることに変わりはない。そのため、漏れ振動の抑制に加え、角速度の検出感度を上げたい場合には、上記第１実施形態の構造とされることが好ましいが、漏れ振動を抑制する構造とするだけであれば、第１検出梁４１ａおよび第２検出梁４１ｂのバネ定数が一致していても特に問題はない。

　本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、従来の振動型角速度センサに比べて漏れ振動が抑制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、検出梁４１が検出錘３５、３６の振動方向に沿って直線的に延設された形状とされた例について説明した。しかしながら、検出梁４１は、振動方向と交差する方向に変位して角速度を検出できればよく、直線的な形状に限られず、湾曲形状や他の形状とされてもよい。

　（２）上記各実施形態では、角速度の検出感度向上の観点から検出錘３５、３６それぞれがｘ軸方向における一端側において第１検出梁４１ａに、他端側において第２検出梁４１ｂに支持された両持ちの構造とされた例について説明した。しかしながら、駆動振動に伴う漏れ振動を抑制する観点からは、検出梁４１は、振動方向に沿って延設された形状とされ、検出錘３５、３６を振動方向の両端で支持する構造とされていればよい。そのため、検出梁４１が第１検出梁４１ａもしくは第２検出梁４１ｂの一方だけで構成された構造、すなわち検出錘３５、３６それぞれが振動方向に対して垂直方向における一方の端部で検出梁４１に支持された構造とされてもよい。

　（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、本開示の振動型角速度センサは、検出梁４１がその長手方向を駆動錘３１～３４および検出錘３５、３６の振動方向に揃えた配置とされていればよく、他の構成要素については適宜設計変更されてもよい。

Claims

　角速度を検出する振動型角速度センサであって、
　基板（１０）と、
　前記基板上に形成された固定部（２０）に支持部材（４３）を介して支持された駆動梁（４２）と、
　前記駆動梁に支持された駆動錘（３３、３４）と、
　前記駆動錘に対して、検出梁（４１）を含む梁部（４０）を介して支持された検出錘（３５、３６）と、
　前記検出梁に備えられ、角速度の印加に基づいて前記検出錘が一方向に移動すると、該検出錘の移動に伴う前記検出梁の変位に応じた電気出力を発生させる検出部（６０）と、を備え
　前記検出錘は、前記検出梁を介して前記駆動錘に接続され、前記駆動錘を介して前記固定部に接続されており、
　前記駆動梁を駆動させた際に前記駆動錘および前記検出錘が振動する方向を振動方向として、前記駆動梁により前記駆動錘および前記検出錘が駆動振動をしている際に前記角速度が印加されると、前記検出梁が前記振動方向と交差する方向に変位し、該検出梁の変位に伴って検出圧電膜の出力電圧が変化することに基づいて前記角速度を検出する振動型角速度センサ。
　前記検出梁は、前記振動方向に対して垂直な方向を垂直方向として、前記検出錘から前記垂直方向にずらして配置されると共に、該検出錘のうち前記垂直方向における一方もしくは双方の端部において、該検出錘を該検出梁の前記振動方向における両端で支持している請求項１に記載の振動型角速度センサ。
　前記検出錘は、２つ備えられることで一対とされ、
　前記検出梁は、第１検出梁（４１ａ）と第２検出梁（４１ｂ）とを備え、
　前記駆動錘は、前記検出錘のうちの１つの周囲を囲むと共に前記第１検出梁および前記第２検出梁を介して前記検出錘を連結する内側駆動錘（３３、３４）を一対備えると共に、一対の前記内側駆動錘を挟んだ両側それぞれに外側駆動錘（３１、３２）を備える構成とされ、
　前記駆動梁は、前記内側駆動錘と前記外側駆動錘とを連結すると共に、前記支持部材を介して、前記基板に支持されており、
　さらに、前記内側駆動錘と前記外側駆動錘とを、互いに逆方向に振動させる駆動部（５０）を備え、
　前記駆動部にて前記駆動梁を撓ませて前記外側駆動錘と前記内側駆動錘とを駆動振動させる請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
　前記検出梁は、前記振動方向に沿って直線的に延設された棒状形状の梁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。
　前記検出梁は、該検出梁の振動方向における中心位置において前記駆動錘に接続され、
　前記検出部は、検出圧電膜（６１ａ～６１ｄ）により構成され、前記中心位置を中心として前記振動方向において対称配置されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の振動型角速度センサ。