(57)【要約】【課題】超小型で、温度補償なしに高精度な検出が可能で、製造プロセスが容易な多軸の加速度センサ及び角速度センサを提供する。【解決手段】センサにおいては、重錘３と基体２とが屈曲部を有する圧電バイモルフ検出子３１乃至３８及び圧電バイモルフ励振子４１乃至４８で直接接続されている。重錘３に加速度が作用すると、重錘３が変位し、圧電バイモルフ検出子３１乃至３８が変形される。この変形により、圧電バイモルフ検出子３１乃至３８に発生する電荷を検出し、加速度が検出される。重錘３が圧電バイモルフ励振子４１乃至４８により振動されているときに、重錘３に角速度が作用すると、重錘３にコリオリ力が発生し、圧電バイモルフ検出子３１乃至３８が変形される。この変形によって圧電バイモルフ検出子３１乃至３８に発生する電荷を検出し、角速度が検出される。【選択図】    図２２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重錘と、
前記重錘を支持する為の支持面を有し、前記重錘を可動可能とする空洞を有する基体と、
前記支持面を含む仮想面上に互いに直交する第１及び第２の軸及び前記重錘上に交点を定め、第１及び第２の軸の夫々に対して対称に配置される第１及び第２ペアの圧電バイモルフ検出子及び前記第１及び第２の軸に対して対称に配置される第３及び第４ペアの圧電バイモルフ検出子から構成され、前記重錘に作用される加速度に対して前記重錘を運動可能に支持する重錘支持部であって、
前記圧電バイモルフ検出子の夫々は、前記基体の前記支持面に接続される一端前記重錘に接続される他端を有し、前記一端及び他端から直線状に延出する直線状延出部及びこの直線状延出部から湾曲されて延出される延出部を有し、
前記各圧電バイモルフ検出子が第１の電極、第１の圧電膜、第２の電極、第２の圧電膜、及び第３の電極の順に積層される積層構造に形成され、  前記各圧電バイモルフ検出子は、前記重錘への加速度の作用に伴い機械的に変形をされ、前記変形に従って前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記第３の電極に電荷を発生し、前記電極間の夫々に電圧を発生するする重錘支持部と、
前記電圧から前記加速度を３次元の成分毎に検出する検出回路と、
を備えることを特徴とする３軸加速度センサ。
【請求項２】
前記圧電バイモルフ検出子は、前記屈曲部が枠状に形成される特徴とする請求項１記載の３軸加速度センサ。
【請求項３】
前記圧電バイモルフ検出子は、第１の部分及び第２の部分から構成され、前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記第３の電極は、夫々第１及び第２の部分内を延出する一対の電極板を含み、前記圧電膜に形成されたヴィアホールにより、前記第１の部分の前記第１の電極と前記第２の部分の前記第２の電極と前記第１の部分の前記第３の電極とが電気的に接続され、前記第２の部分の前記第１の電極と前記第１の部分の前記第２の電極と前記第２の部分の前記第３の電極とが電気的に接続されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の３軸加速度センサ。
【請求項４】
前記第１の圧電膜及び前記第２の圧電膜は、厚み方向に分極され、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、或いはＺｎＯ（酸化亜鉛）により形成されることを特徴とする請求項１乃至３記載の多軸加速度センサ。
【請求項５】
重錘と、
前記重錘を支持する為の支持面を有し、前記重錘を可動可能とする空洞を有する基体と、
前記支持面を含む仮想面上に互いに直交する第１及び第２の軸及び前記重錘上に交点を定め、第１及び第２の軸の夫々に対して対称に配置される第１及び第２ペアの圧電バイモルフ検出子及び前記第１及び第２の軸に対して対称に配置される第３及び第４ペアの圧電バイモルフ励振子から構成され、前記重錘に作用される加速度及び／或いは、コリオリ力に対して前記重錘を運動可能に支持する重錘支持部であって、
前記各圧電バイモルフ検出子及び前記各圧電バイモルフ励振子の夫々は、前記基体の前記支持面に接続される一端前記重錘に接続される他端を有し、前記一端及び他端から直線状に延出する直線状延出部及びこの直線状延出部から湾曲されて延出される延出部を有し、
前記各圧電バイモルフ検出子及び前記各圧電バイモルフ励振子が第１の電極、第１の圧電膜、第２の電極、第２の圧電膜、及び第３の電極の順に積層される積層構造に形成され、
前記各圧電バイモルフ励振子は、交流電圧を印加されて周期的な変形を生じされることで、前記重錘を振動させて前記重錘に前記第１及び第２の軸まわりに作用する前記角速度に伴ったコリオリ力を発生させ、
前記各圧電バイモルフ検出子は、前記重錘への加速度及び／或いは、コリオリ力の作用に伴い機械的に変形をされ、前記変形に従って前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記第３の電極に電荷を発生し、前記電極間の夫々に電圧を発生する重錘支持部と、
前記電圧から前記加速度及び／或いは、前記第１及び第２の軸まわりに作用する前記角速度を前記第１及び第２の軸方向の成分毎に検出する検出回路と、
を備えることを特徴とする２軸角速度センサ。
【請求項６】
請求項５記載の２軸の角速度センサは、前記交点と交差して前記仮想平面と直交する第３の軸を定め、前記第３の軸方向の加速度を検出する為の少なくとも２ペアの第５及び第６の前記圧電バイモルフ検出子を、更に備え、前記第１及び第２の軸まわりの前記角速度を成分毎に及び／或いは前記加速度を前記第１、第２及び第３の軸の成分毎に検出することを特徴とする請求項５記載の２軸の角速度センサ。
【請求項７】
前記圧電バイモルフ検出子及び前記圧電バイモルフ励振子は、前記屈曲部が枠状に形成される特徴とする請求項５又は請求項６記載の２軸角速度センサ。
【請求項８】
前記圧電バイモルフ検出子及び前記圧電バイモルフ励振子は、第１の部分及び第２の部分から構成され、前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記第３の電極は、夫々第１及び第２の部分内を延出する一対の電極板を含み、前記圧電膜に形成されたヴィアホールにより、前記第１の部分の前記第１の電極と前記第２の部分の前記第２の電極と前記第１の部分の前記第３の電極とが電気的に接続され、前記第２の部分の前記第１の電極と前記第１の部分の前記第２の電極と前記第２の部分の前記第３の電極とが電気的に接続されることを特徴とする請求項５乃至７記載の２軸角速度センサ。
【請求項９】
前記第１の圧電膜及び前記第２の圧電膜は、厚み方向に分極され、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、或いはＺｎＯ（酸化亜鉛）により形成されることを特徴とする請求項５乃至８記載の２軸角速度センサ。
【請求項１０】
前記検出回路は、前記検出信号から前記加速度に起因する成分と前記角速度に起因する成分とを分離させる為の周波数フィルタを備えることを特徴とする請求項５乃至９記載の２軸角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いた３軸の加速度及び２軸まわりの角速度を検出できるセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子産業、自動車産業、及び機械産業などでは、小型で信頼性の高い、多軸の加速度センサ及び角速度センサの需要が高まっている。このようなセンサは、特に、２次元或いは３次元の成分毎に加速度及び角速度を検出できることが要請されている。
【０００３】
多軸の加速度センサは、特許文献１に開示されるように重錘を備え、この重錘は、可撓性を有する撓み基板を介して重錘周囲の基板に保持され、当該基板上には、検出素子が配置された構造を有している。このような構造を有する加速度センサでは、センサに加速度が作用すると、重錘が加速度に比例した力を受けて変位され、撓み基板に機械的な変形が生じる。センサは、撓み基板上に設置される検出素子が加速度に伴って生じる撓み基板の変形を検出し、加速度を検出している。検出素子としてピエゾ抵抗素子を備えた加速度センサでは、この撓み基板の機械的な変形は、ピエゾ抵抗素子における抵抗の変化として検出されて加速度が検出される。また、ピエゾ抵抗素子以外の検出素子として撓み基板上に設置された極板とこの極板と対向するように極板が配置された構造を有し、撓み基板の機械的な変形がこれらの極板間の静電容量の変化として検出される静電容量型の素子を備えた加速度センサが知られている。また、特許文献１では、２枚の極板間に圧電膜を挟んだ圧電素子が撓み基板上に設置され、撓み基板の機械的な変形が圧電素子に発生する電荷量の変化として検出されている。
【０００４】
多軸の角速度センサは、上述した多軸の加速度センサと同様な構造を有し、更に、重錘に振動を加える為の励振素子を備えている。角速度センサにおいては、重錘は、励振素子によって特定の軸方向に周期的に振動されている。重錘の振動中に、重錘の振動軸に直交する軸まわりに角速度が生じると、これらの２軸に直交する軸方向にコリオリ力が作用する。このコリオリ力により重錘が変位され、重錘に接続された撓み基板が変形されることになる。この撓み基板の機械的な変形を検出素子で検出し、角速度が検出されることになる。特許文献２には、電極間に電圧を加えたときに発生する静電力で撓み基板を振動させる素子、或いは圧電効果により基板を振動させる圧電素子により重錘を振動させ、静電容量の変化を検出する素子、ピエゾ抵抗素子、及び圧電素子によりコリオリ力を検出する角速度センサが開示されている。
【０００５】
しかし、一般に、ピエゾ抵抗係数には、温度依存性があるため、上述したピエゾ抵抗素子を備えたセンサでは、使用する環境の温度に変動が生じると検出値が誤差を含むようになる。従って、正確な測定を行うためには、温度補償を行う必要がある。特に、センサが自動車などの分野で用いられる場合、−４０℃〜１２０℃というかなり広い動作温度範囲について温度補償が必要となる問題がある。
【０００６】
また、上述した静電容量の変化を検出するセンサは、製造コストが安価であるという利点はあるが、形成される静電容量が小さいため、信号処理が困難である問題がある。
【０００７】
また、上述した圧電素子を備えたセンサは、直接起電力を発生するため検出感度が高いという利点がある。しかし、圧電性に優れたＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を圧電素子に使用する必要があり、ＰＺＴの圧電定数は、温度依存性が大きいという問題がある。
【特許文献１】特許第３１４１９５４号
【特許文献２】特許第３５３４２５１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の多軸の加速度センサ及び角速度センサでは、温度依存性が大きい、或いは製造が困難であるという問題がある。従って、多軸の加速度センサ及び角速度センサには、より小型で、温度補償なしに高精度な検出が可能であり、製造プロセスが容易であることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、小型で、温度依存性が小さい多軸の加速度センサ及び角速度センサを提供することにある。
【００１０】
この発明によれば、
重錘と、
前記重錘を支持する為の支持面を有し、前記重錘を可動可能とする空洞を有する基体と、
前記支持面を含む仮想面上に互いに直交する第１及び第２の軸及び前記重錘上に交点を定め、第１及び第２の軸の夫々に対して対称に配置される第１及び第２ペアの圧電バイモルフ検出子及び前記第１及び第２の軸に対して対称に配置される第３及び第４ペアの圧電バイモルフ検出子から構成され、前記重錘に作用される加速度に対して前記重錘を運動可能に支持する重錘支持部であって、
前記圧電バイモルフ検出子の夫々は、前記基体の前記支持面に接続される一端前記重錘に接続される他端を有し、前記一端及び他端から直線状に延出する直線状延出部及びこの直線状延出部から湾曲されて延出される延出部を有し、
前記各圧電バイモルフ検出子が第１の電極、第１の圧電膜、第２の電極、第２の圧電膜、及び第３の電極の順に積層される積層構造に形成され、  前記各圧電バイモルフ検出子は、前記重錘への加速度の作用に伴い機械的に変形をされ、前記変形に従って前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記第３の電極に電荷を発生し、前記電極間の夫々に電圧を発生するする重錘支持部と、
前記電圧から前記加速度を３次元の成分毎に検出する検出回路と、
を備えることを特徴とする３軸加速度センサを提供することができる。
【００１１】
また、この発明によれば、
重錘と、
前記重錘を支持する為の支持面を有し、前記重錘を可動可能とする空洞を有する基体と、
前記支持面を含む仮想面上に互いに直交する第１及び第２の軸及び前記重錘上に交点を定め、第１及び第２の軸の夫々に対して対称に配置される第１及び第２ペアの圧電バイモルフ検出子及び前記第１及び第２の軸に対して対称に配置される第３及び第４ペアの圧電バイモルフ励振子から構成され、前記重錘に作用される加速度及び／或いは、コリオリ力に対して前記重錘を運動可能に支持する重錘支持部であって、
前記各圧電バイモルフ検出子及び前記各圧電バイモルフ励振子の夫々は、前記基体の前記支持面に接続される一端前記重錘に接続される他端を有し、前記一端及び他端から直線状に延出する直線状延出部及びこの直線状延出部から湾曲されて延出される延出部を有し、
前記各圧電バイモルフ検出子及び前記各圧電バイモルフ励振子が第１の電極、第１の圧電膜、第２の電極、第２の圧電膜、及び第３の電極の順に積層される積層構造に形成され、
前記各圧電バイモルフ励振子は、交流電圧を印加されて周期的な変形を生じされることで、前記重錘を振動させて前記重錘に前記第１及び第２の軸まわりに作用する前記角速度に伴ったコリオリ力を発生させ、
前記各圧電バイモルフ検出子は、前記重錘への加速度及び／或いは、コリオリ力の作用に伴い機械的に変形をされ、前記変形に従って前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記第３の電極に電荷を発生し、前記電極間の夫々に電圧を発生する重錘支持部と、
前記電圧から前記加速度及び／或いは、前記第１及び第２の軸まわりに作用する前記角速度を前記第１及び第２の軸方向の成分毎に検出する検出回路と、
を備えることを特徴とする２軸角速度センサが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の多軸の加速度センサ及び角速度センサにおいては、センサの中央に位置する重錘とその周囲を取り囲むように形成された基体とを、電極と圧電膜を積層させたバイモルフ構造を有する圧電バイモルフ検出子及び圧電バイモルフ励振子で直接接続している。この構造により、加速度及び角速度の検出感度が向上するため、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、或いはＺｎＯ（酸化亜鉛）等の圧電定数の温度依存性が小さい部材で圧電膜を形成することができる。また、検出感度の向上により重錘の質量及び寸法を小さくできるようになるため、センサを小型化することが可能になる。
【００１３】
圧電バイモルフ検出子及び圧電バイモルフ励振子は、屈曲した形状有している。この励振子では、成膜法で圧電膜を形成する場合に不可避である残留応力が圧電膜の内部に存在した場合でも、残留応力の影響を低減することが可能となる。即ち、安定した検出感度を有する圧電バイモルフ検出子及び安定した励振能を有する圧電バイモルフ励振子を形成できる。
【００１４】
また、本発明によれば、上記特許文献１乃至特許文献２で使用している撓み基板を使用しないため、撓み基板と別途用意した重錘との接合プロセス、或いは撓み基板を形成するためのＳＯＩ基板等が不要となり、構造及び製造プロセスの大幅な簡略化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る多軸の加速度センサ及び角速度センサを説明する。
【００１６】
[第１の実施の形態]
図１は、本実施の形態に係る加速度センサを概略的に示す上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図を示している。
【００１７】
加速度センサは、円盤状の基板１と、基板１の上面に設置固定され、支持面を有し、その内に空洞部が形成されるリング状或いは枠体状の支持用の基体２と、リング状基体２内の基板１の中央領域上に配置される円盤状の重錘３と、一端を基体２の支持面に接続され、他端を重錘３に接続され、屈曲した形状を有する８個（第１〜第４ペア）の圧電バイモルフ検出子１１乃至１８と、から構成されている。ここで、第１〜第４ペアの圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、図１に示すように同一サイズ及び形状を有している。
【００１８】
本明細書では、説明の便宜を考慮して、この重錘３の上面の中心部に原点Ｏを定め、図１及び図２の矢印方向にＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸をとり、ＸＹＺ３次元座標系を定義している。ＸＹ平面は、基体２の支持面に平行な平面（仮想面）となり、Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸の交点（原点Ｏに相当する。）から延出され、この面に垂直な軸となる。
【００１９】
図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿って即ち、Ｘ軸に沿って切断したセンサの断面を示している。後に説明されるように、重錘３に加速度が作用すると、重錘３が変位され、それによって圧電バイモルフ検出子１１乃至１８には、機械的な変形が生じる。そして、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、この機械的な変形に応じた電圧を発生させる。この電圧は、作用した加速度に関連した値を持つため、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８から出力される検出信号に基づいて加速度センサに作用する加速度が検出される。第１ペアの圧電バイモルフ検出子１１、１２は、Ｙ軸に関して対称に配置され、第２ペアの圧電バイモルフ検出子１３、１４は、Ｘ軸に関して対称に配置され、第３及び第４ペアの圧電バイモルフ検出子１５、１６、１７，１８は、Ｘ軸及びＹ軸に関して対称に配置されている。
【００２０】
圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の構造についての詳細な説明をする。図１に示すように、基体２の上面には、基体２と重錘３とを接続する圧電バイモルフ検出子１１乃至１８がＸ軸及びＹ軸に対して対称に配置されている。ここで、圧電バイモルフ検出子１１及び１２は、Ｘ軸方向における加速度を検出する為に設けられ、圧電バイモルフ検出子１３及び１４は、Ｙ軸方向における加速度を検出する為に設けられ、圧電バイモルフ検出子１５乃至１８は、Ｚ軸方向における加速度を検出する為に設けられている。これら圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、全て同一の構造を有している。1つの圧電バイモルフ検出子、例えば、圧電バイモルフ検出子１１の構造が図３〜図６（ｃ）に示されている。この圧電バイモルフ検出子１１の構造を図３〜図６（ｃ）を参照して説明する。図３は、圧電バイモルフ検出子１１を概略的に示す上面図である。図４は、図３におけるＣ−Ｃ線に沿った断面、図５は、図３におけるＤ−Ｄ線に沿う断面図を示している。また、図６（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、上部電極４、中間電極６、及び下部電極８の平面的形状を概略的に示す平面図である。
【００２１】
圧電バイモルフ検出子１１は、図３〜図５に示されるように、略Ｔ字状の第１の部分１１ａと同様に略Ｔ字状の第２の部分１１ｂとから構成され、略Ｔ字状の第１の部分１１ａと略Ｔ字状の第２の部分１１ｂとが組み合わされて矩形状の枠部或いはリング状部を形成し、この枠部或いはリング状部から支持用の基体２及び重錘３に夫々直線部が延出されている。圧電バイモルフ検出子１１の第１部分１１ａ及び第２部分１１ｂは、いずれも図６（ａ）に示されるような一対の上部電極４ａ、４ｂ、一対の上部圧電膜５ａ、５ｂ、図６（ｂ）に示されるような一対の中間電極６ａ、６ｂ、一対の下部圧電膜７ａ、７ｂ、及び図６（ｃ）に示されるような一対の下部電極８ａ、８ｂが積層された積層構造を有している。ここで、圧電バイモルフ検出子１１の第１の部分１１ａとは、重錘３に接続されている側の部分に相当し、第２の部分１１ｂとは、基体２に接続されている側の部分に相当している。第１の部分１１ａと第２の部分１１ｂにおいて、各電極は、図４及び図５に示すように、両部分に連続して延出されるように形成されず、互いに物理的に接触されないように形成される。即ち、上部電極４ａと上部電極４ｂ、中間電極６ａと中間電極６ｂ、及び下部電極８ａと下部電極８ｂとは、互いに電気的に接続されず、互いに電気的に分離されるように形成される。図４に示すように、第１の部分１１ａの上部電極４ａ及び下部電極８ａは、ヴィアホール９ｂ及びヴィアホール９ｃにより第２の部分１１ｂの中間電極６ｂに電気的に接続されている。また、図５に示すように、第１の部分１１ａの中間電極６ａは、ヴィアホール９ａ及びヴィアホール９ｄにより第２の部分１１ｂの上部電極４ｂ及び下部電極８ｂに電気的に接続されている。従って、第１の部分１１ａにおいては、上部電極４ａと下部電極８ａとが第１電位に維持され、中間電極６ａに異なる第２電位が与えられている。また、第２の部分１１ｂにおいては、中間電極６ｂが上部電極４ａ及び下部電極８ａと同様の第１電位に維持されている。第２の部分１１ｂにおいては、上部電極４ｂと下部電極８ｂとが第２電位に維持され、中間電極６ｂに異なる第１電位が与えられている。また、第２の部分１１ｂにおいては、中間電極６ｂが上部電極４ａ及び下部電極８ａと同様に第１電位に維持されている。これら電極に挟まれた上部圧電膜５ａ、５ｂ及び下部圧電膜７ａ、７ｂは、全てＺ軸方向に分極を持つように形成されている。
【００２２】
本発明では、重錘３と基体２とを圧電バイモルフ検出子１１乃至１８で直接接続するため、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、低い撓み剛性を有している。従って、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の検出感度が向上される。一般に、圧電定数の温度依存性の小さい部材、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）又はＺｎＯ（酸化亜鉛）は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に比して検出感度が劣るが、温度依存性の小さいことから、温度の影響を受けにくい圧電膜を圧電バイモルフ検出子１１乃至１８とするができる。また、低い撓み剛性を圧電バイモルフ検出子１１乃至１８に与えることができることから、質量及び寸法の小さい重錘３でも十分な精度で加速度を検出することが可能となる。
【００２３】
尚、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、Ｘ軸及びＹ軸に対して対称に配置されれば良く、上述した圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の数及び配置箇所は、上述した構成に限定されないことを付記する。
【００２４】
次に、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の形状をより詳細に説明をする。圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、図３に示すように、リング状或いは矩形枠状の部分と直線状の部分を組み合わせた構造を有している。本発明では、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、何ら他の部材上に載置されず、重錘３と基体２を圧電バイモルフ検出子１１乃至１８で直接接続されている。このような加速度センサでは、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８を成膜法により重錘３と基体２の支持面とに直接形成する必要がある。通常、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８を成膜法によって直接形成すると、圧電膜の内部に残留応力が生じる。この残留応力は、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の検出感度に大きな影響を与えることになる。
【００２５】
重錘３と基体２とを撓み基板を介して接続する従来の加速度センサでは、撓み基板を形成する工程で、撓み基板に残留応力が生じる。しかし、撓み基板をＳＯＩウェハの薄膜単結晶シリコン層で形成することにより、撓み基板における残留応力の問題を回避することが可能になる。
【００２６】
しかし、図１に示すセンサにおいて、重錘３と基体２とを圧電バイモルフ検出子１１乃至１８のみで直接接続する場合には、ある範囲の残留応力が生じることは、不可避とされる。一般的な直線状の圧電バイモルフ検出子がセンサに組み込まれる場合には、残留応力により検出子の感度が非常に大きな影響を受けることが発明者により新たに見出されている。このことに関しては、比較例として後述する。この残留応力の問題を回避するために、本発明に使用される圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、閉じた矩形或いはリング状の部分と直線状の部分を組み合わせた形状に形成されている。
【００２７】
第１の実施の形態に係る加速度センサは、上述したように、枠状或いはリング状の部分と直線状の部分を組み合わせた形状の圧電バイモルフ検出子１１乃至１８を備えている。この圧電バイモルフ検出子１１乃至１８について、圧電膜に残留応力が存在する場合の比感度の有限要素法によるシミュレーションを行い、その結果を図１０に示している。シミュレーションで使用した圧電バイモルフ検出子１１乃至１８は、上部電極４ａ、４ｂ、中間電極６ａ、６ｂ、及び下部電極８ａ、８ｂが厚さ０．２μｍのアルミニウム（Ａｌ）、上部圧電膜５ａ、５ｂ及び下部圧電膜７ａ、７ｂが厚さ１μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。図１０には、上部圧電膜５ａ、５ｂと下部圧電膜７ａ、７ｂの平均の残留応力に対する検出子の検出感度を、残留応力がない場合の検出感度の比として示している。ここで、平均残留応力が負の値である場合は、圧電膜の内部に圧縮残留応力が存在することを意味し、正の値である場合には、引張り残留応力が存在することを意味する。尚、２００ＭＰａ程度の残留応力は、ウェハの面内均一性なども考慮した場合、現在の最良の量産用の成膜装置を持ってしても回避することができない範囲である。そのため、シミュレーションの結果は、上部圧電膜５及び下部圧電膜７の平均の残留応力が−２００ＭＰａから２００ＭＰａの範囲で示されている。図１０から明らかなように、２００ＭＰａの引張り残留応力によっても感度の低下は１５％以内に収まっている。また、圧縮残留応力による感度の変化は１０％以内である。この感度変化は、後述する比較例に比較して非常に小さく、検出回路の較正を施すことによって容易に補正できる範囲である。
【００２８】
尚、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の形状は、Ｘ−Ｙ面内に少なくとも１ヶ所の平面的な屈曲部を有すれば良く、リング状の部分と直線状の部分を組み合わせた形状に限られない。
【００２９】
次に、センサに加速度が作用した場合における、上述した加速度センサの動作を図７〜図９を参照して説明する。図７及び図９は、図１に示すＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に沿って切断したセンサの断面図を示している。重錘３にＸ軸方向の加速度が作用する場合には、図７に示すように、重錘３の重心ＧにＸ軸方向の力Ｆｘ（重錘３の質量に比例した大きさをもつ）が発生することになる。そして、重錘３の上部が圧電バイモルフ検出子１１及び１２によって基体に固定されているため、この力Ｆｘにより重錘３には、反時計回りのモーメント力が生じる。そして、圧電バイモルフ検出子１１及び１２は、図７に示すように変形される。即ち、圧電バイモルフ検出子１１の第１の部分１１ａは、上方に凸に、第２の部分１１ｂは、下方に凸に反ることとなる。また、圧電バイモルフ検出子１２の第１の部分１２ａは、下方に凸に、第２の部分１２ｂは、上方に凸に反ることとなる。
【００３０】
圧電バイモルフ検出子１１に生じる応力および圧電作用について、図８を参照して説明する。図８は、図７に示される変形された圧電バイモルフ検出子１１を模式的に示している。第１の部分１１ａが上方に凸に反ると、上部圧電膜５ａには引張り力が作用し、上部電極４ａには正電荷が、中間電極６ａには負電荷が発生する。そして、下部圧電膜７ａには圧縮力が作用し、中間電極６ａには負電荷が、下部電極８ａには正電荷が発生する。また、第２の部分１１ｂが下方に凸に反ることにより、上部圧電膜５ｂには圧縮力が作用し、上部電極４ｂには負電荷が、中間電極６ｂには正電荷が発生し、下部圧電膜７ｂには引張り力が作用し、中間電極６ｂには正電荷が、下部電極８ｂには負電荷が発生する。一方、上部電極４ａ及び下部電極８ａは、ヴィアホール９ｃにより中間電極６ｂと接続されている。また、中間電極６ａはヴィアホール９ｄにより上部電極４ｂ及び下部電極８ａと接続されている。従って、上部電極４ａと中間電極６ａの間の電荷を測定することにより、圧電バイモルフ検出子１１に生じる電荷を効率よく測定することができる。
【００３１】
図７に示すように、圧電バイモルフ検出子１１と、重錘３を挟んでＸ軸上の反対側に設置された圧電バイモルフ検出子１２の変形は、互いに逆方向となる。即ち、圧電バイモルフ検出子１１の上部電極４ａと中間電極６ａの間に発生する電荷と圧電バイモルフ検出子１２の上部電極４ａと中間電極６ａの間に発生する電荷は絶対値が等しく逆符号となる。
【００３２】
このように、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用すると、Ｘ軸に沿って配置された圧電バイモルフ検出子１１及び１２の電極間に電荷が発生する。これに対し、Ｙ軸に沿って配置された圧電バイモルフ検出子１３及び１４の電極間には電荷が発生されない。これは、図１に示すように、圧電バイモルフ検出子１３及び１４は、Ｘ軸の正の領域と負の領域とに跨がって配置されている。そのため、圧電バイモルフ検出子１３及び１４の変形がＹ軸に対して反対称になる。従って、Ｘ軸の正の領域で発生した電荷がＸ軸の負の領域で発生した電荷によって相殺され、全体として電荷は、発生しない。
【００３３】
一方、重錘３にＹ軸方向の加速度が作用する場合には、重錘３の重心ＧにＹ軸方向の力Ｆｙが発生する。この場合にも、Ｘ軸方向の加速度が作用した場合と全く同様の現象が起こる。ただし、この場合には、Ｙ軸に沿って配置された圧電バイモルフ検出子１３及び１４の電極間に電荷が発生し、Ｙ軸の正と負の領域に跨って配置された圧電バイモルフ検出子１１及び１２の電極間には電荷は、発生しない。
【００３４】
次に、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用する場合には、重錘３の重心ＧにＺ軸方向の力Ｆｚが作用する。この力Ｆｚにより、図９に示すように、重錘３がＺ軸方向に引っ張られ、圧電バイモルフ検出子１５及び１７は、変形される。この圧電バイモルフ検出子１５及び１７の変形は、既に示した図８における変形とほぼ同等であり、図８に示すような極性の電荷を発生させる。即ち、上部電極４ａ、下部電極８ａ、及び中間電極６ｂには正電荷が発生し、中間電極６ａ、上部電極４ｂ、及び下部電極８ｂには負電荷が発生する。この場合には、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８全てに同等の電荷が発生することになる。
【００３５】
このように、重錘３にＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の加速度が作用すると、夫々の場合によって各圧電バイモルフ検出子１１乃至１８に特有の態様で電荷が発生することになる。さらに、発生する電荷量は、作用した加速度の大きさに関連した量となり、発生する電荷の極性は作用した加速度の向きに応じて定まる。例えば、図７において、重心ＧにＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、各電極に発生する電荷の符号は逆転する。同様に、図９において、重心ＧにＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各電極に発生する電荷の符号は、逆転する。従って、各圧電バイモルフ検出子１１乃至１８に発生する電荷を検出することにより、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向の加速度を検出することができる。
【００３６】
次に、上述した加速度センサを用いて、実際に加速度の検出を行う為の検出回路について説明する。図１１（ａ）は、Ｘ軸方向の力Ｆｘを検出する為の検出回路を示している。圧電バイモルフ検出子１１の上部電極４ａ及び中間電極６ａと圧電バイモルフ検出子１２の上部電極４ａ及び中間電極６ａとが逆相で直列に接続されている。図１１（ｂ）は、Ｙ軸方向の力Ｆｙを検出する為の検出回路を示している。圧電バイモルフ検出子１３の上部電極４ａ及び中間電極６ａと圧電バイモルフ検出子１４の上部電極４ａ及び中間電極６ａとが逆相で直列に接続されている。図１１（ｃ）は、Ｚ軸方向の力Ｆｚを検出する為の検出回路を示す回路図である。各圧電バイモルフ検出子１５乃至１８の上部電極４ａ及び中間電極６ａが全て正相で直列に接続されている。
【００３７】
図１２は、重錘３に各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、及びＦｚが作用した場合に、各圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の上部電極４ａに生じる電荷の極性及び電荷量を概略的に示す表である。図１２に示すように、行の欄に重錘３に作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、及びＦｚが付され、列の欄に圧電バイモルフ検出子１１乃至１８が付されている。例えば、この表のＦｘの欄の極性符号は、重錘に力Ｆｘが作用した場合の各圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の上部電極４ａの符号に対応する。また、符号の数によって、発生する電荷量の大きさを相対的に示している。各圧電バイモルフ検出子１１乃至１８の中間電極６ａには、上述したように、上部電極４ａと逆符号の電荷が生じる。
【００３８】
図１１（ａ）に示すＸ軸方向の力Ｆｘを検出する為の検出回路について、図１２を参照しながら説明する。図１２のＦｘの欄を参照して、重錘３にＸ軸方向の力Ｆｘが生じた場合を考える。この場合、図１１（ａ）の回路図において、端子Ａｘ側の電極には正の電荷が発生し、端子Ｂｘ側の電極には負の電荷が発生することがわかる。逆に、−Ｆｘの力が作用した場合には、極性が反転し、端子Ａｘには負の電荷が、端子Ｂｘには正の電荷が、それぞれ集まることになる。従って、端子Ａｘ及び端子Ｂｘの間の電圧Ｖｘは、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応した値となる。
【００３９】
次に、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用した場合における電圧Ｖｙを考える。図１２のＦｙの欄に示すように、力Ｆｙが作用した場合には、圧電バイモルフ検出子１１及び１２の各電極に電荷は発生しない。これは、前述したように、圧電バイモルフ検出子１１及び１２は、Ｘ軸に跨って配置されており、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用すると、各圧電バイモルフ検出子１１及び１２のＹ軸の正の領域とＹ軸の負の領域とで発生する電荷が互いに相殺するためである。従って、電圧Ｖｘは、Ｙ軸方向の力Ｆｙから影響を受けることがない。
【００４０】
次に、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合における電圧Ｖｘを考えてみる。圧電バイモルフ検出子１１及び１２の上部電極４ａには正の電荷が発生する。しかし、圧電バイモルフ検出子１１及び１２の電極は、逆相で直列に接続されているため、正および負の電荷が互いに相殺され、電圧Ｖｘは、発生しない。従って、電圧Ｖｘは、Ｚ軸方向の力Ｆｚから影響を受けることがない。
【００４１】
以上のことから、重錘３に三次元の力Ｆが作用した場合、そのＸ軸方向成分Ｆｘだけが電圧Ｖｘとして検出されることになり、この検出値は、Ｙ軸方向成分Ｆｙ及びＺ軸方向成分Ｆｚの影響を受けることがない。
【００４２】
図１１（ｂ）は、Ｙ軸方向の力Ｆｙを検出するための検出回路を示している。上述したＸ軸方向の力Ｆｘを検出する為の検出回路と全く同様に、重錘３に三次元の力Ｆが作用した場合、そのＹ軸方向成分Ｆｙだけが電圧Ｖｙとして検出されることになり、この検出値は、Ｘ軸方向成分Ｆｘ及びＺ軸方向成分Ｆｚの影響を受けることがない。
【００４３】
次に、図１１（ｃ）に示すようなＺ軸方向の力Ｆｚを検出する為の検出回路について、図１２を参照しながら説明する。図１２のＦｚの欄を参照してＺ軸方向の力Ｆｚが作用した場合を考えると、図１１（ｃ）において、端子Ａｚ側には正の電荷が発生し、端子Ｂｚ側には負の電荷が発生することがわかる。また、−Ｆｚの力が作用した場合には、極性が反転し、端子Ａｚ側には負の電荷が、端子Ｂｚ側には正の電荷が発生することになる。即ち、端子Ａｚ及び端子Ｂｚの間の電圧Ｖｚは、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対応した値となる。
【００４４】
図１２のＦｘの欄に示すように、重錘３に力Ｆｘが作用した場合には、圧電バイモルフ検出子１５及び１６の各上部電極４ａには正の電荷が発生し、圧電バイモルフ検出子１７及び１８の上部電極４ａには負の電荷が発生する。しかし、圧電バイモルフ検出子１５乃至１８は全て正相で直列接続されているため、正及び負の電荷が互いに相殺され、端子Ａｚと端子Ｂｚとの間に電圧Ｖｚは、発生しない。従って、電圧ＶｚはＸ軸方向の力Ｆｘには何ら影響されない。
【００４５】
また、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用した場合にも、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用した場合と同様に、端子Ａｚと端子Ｂｚ間に電圧Ｖｚは、発生しない。従って、電圧ＶｚはＹ軸方向の力Ｆｙには何ら影響されない。
【００４６】
以上のことから、重錘３に三次元の力Ｆが作用した場合、そのＺ軸方向成分Ｆｚだけが電圧Ｖｚとして検出されることになり、この検出値は、Ｘ軸方向成分ＦｘおよびＹ軸方向成分Ｆｙの影響を受けることがない。
【００４７】
以上のように、Ｘ軸方向に沿って配置した２個の圧電バイモルフ検出子１１及び１２によってＸ軸方向の力Ｆｘが検出され、Ｙ軸方向に沿って配置した２個の圧電バイモルフ検出子１３及び１４によってＹ軸方向の力Ｆｙが検出される。そして、原点Ｏを中心として放射状に配置した４個の圧電バイモルフ検出子１５乃至１８によってＺ軸方向の力Ｆｚが検出される。即ち、第１の実施の形態に係る加速度センサでは、任意の方向に加速度が作用する場合にも、３次元の成分毎の加速度を検出することができる。
【００４８】
尚、重錘３に作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、及びＦｚを検出する為の検出回路は、上述したものに限られない。例えば、圧電バイモルフ検出子１１及び１２の電極を正相で接続すると、圧電バイモルフ検出子１１及び１２でＺ軸方向の力Ｆｚを検出することができる。また、圧電バイモルフ検出子１５及び１８の電極を正相で接続し、圧電バイモルフ検出子１６及び１７の電極を正相で接続し、この２組を逆相で接続すると、圧電バイモルフ検出子１５乃至１８でＸ軸方向の力Ｆｘを検出することができる。
【００４９】
ここで、圧電バイモルフ検出子の形状が直線状である点以外は、第１の実施の形態と同じ構成を有する比較例について説明する。これにより、圧電バイモルフ検出子の形状の違いに因る残留応力の影響を調べることができる。
【００５０】
図１３は、比較例の加速度センサを概略的に示す上面図である。図１４は、図１３のＥ−Ｅ線に沿って切断したセンサの断面図を示している。このセンサは、８個の圧電バイモルフ検出子２１乃至２８が直線状の形状を有する以外は全て第１の実施の形態と同様であり、同じ構成要素には、同じ符号を付し、相違点のみを説明する。
【００５１】
図１３に示すように、基体２の上面には、基体２と重錘３とを接続する圧電バイモルフ検出子２１乃至２８がＸ軸及びＹ軸に対して対称に配置されている。圧電バイモルフ検出子２１乃至２８は、全て同一の構造を有している。１つの圧電バイモルフ検出子、例えば、圧電バイモルフ検出子２１が図１５〜図１７に示されている。この圧電バイモルフ検出子２１の構造を図１５〜図１７を参照して説明する。図１５は、圧電バイモルフ検出子２１を概略的に示す上面図である。図１６は、図１５におけるＩ−Ｉ線に沿う断面図、図１７は、図１５におけるＪ−Ｊ線に沿う断面図を示している。
【００５２】
圧電バイモルフ検出子２１は、図１５〜図１７に示されるように、直線状の第１の部分１１ａと同様に直線状の第２の部分１１ｂとから構成されている。圧電バイモルフ検出子１１の第１部分１１ａ及び第２部分１１ｂは、いずれも上部電極４ａ、４ｂ、上部圧電膜５ａ、５ｂ、中間電極６ａ、６ｂ、下部圧電膜７ａ、７ｂ、及び下部電極８ａ、８ｂが積層された積層構造を有している。ここで、圧電バイモルフ検出子２１の第１の部分２１ａとは、重錘３に接続されている側の部分に相当し、第２の部分２１ｂとは、基体２に接続されている側の部分に相当する。各電極の第１の部分２１ａと第２の部分２１ａとは、接触していない。即ち、上部電極４ａと上部電極４ｂ、中間電極６ａと中間電極６ｂ、及び下部電極８ａと下部電極８ｂとは、電気的に接続されていない。図１６に示すように、第１の部分２１ａの上部電極４ａ及び下部電極８ａは、ヴィアホール９ａにより第２の部分２１ｂの中間電極６ｂに接続されている。また、図１７に示すように、第１の部分２１ａの中間電極６ａは、ヴィアホール９ｂにより第２の部分２１ｂの上部電極４ｂ、下部電極８ｂに接続されている。上部圧電膜５ａ、５ｂ及び下部圧電膜７ａ、７ｂは、全てＺ軸方向に分極を持つように形成されている。
【００５３】
図１８は、重錘３にＸ軸方向の加速度が作用した場合の、図１３に示すＥ−Ｅに沿って切断したセンサの断面図を示している。また、図１９は、重錘３にＺ軸方向の加速度が作用した場合の、図１３に示すＨ−Ｈに沿って切断したセンサの断面図を示している。圧電バイモルフ検出子２１及び２２は、重錘３にＸ軸方向の加速度が作用すると、図１８に示すように変形される。即ち、圧電バイモルフ検出子２１の第１の部分２１ａは、上に凸に、第２の部分２２ｂは、下に凸に反る。また、圧電バイモルフ検出子２２の第１の部分２２ａは、下に凸に、第２の部分２１ｂは、上に凸に反る。重錘３にＺ軸方向の加速度が作用すると、圧電バイモルフ検出子２５及び２７は、図１９に示すように、変形される。この変形は、第１の実施の形態と基本的に同じであり、同様な電荷を発生させる。
【００５４】
この比較例と第１の実施の形態との最大の違いは、圧電膜の残留応力の影響の大小である。この比較例においては、重錘３と基体２との間を直線状の圧電バイモルフ検出子２１乃至２８で直接接続しているため、圧電バイモルフ検出子２１乃至２８に生じる残留応力が圧電バイモルフ検出子２１乃至２８の検出感度に直接影響を与える。
【００５５】
この比較例に係る加速度センサは、上述したように、直線状の圧電バイモルフ検出子２１乃至２８を備えている。この圧電バイモルフ検出子２１乃至２８について、圧電膜に残留応力が存在する場合の比感度の有限要素法によるシミュレーションを行い、その結果を図２０に示している。シミュレーションで使用した圧電バイモルフ検出子２１乃至２８は、上部電極４ａ、４ｂ、中間電極６ａ、６ｂ、及び下部電極８ａ、８ｂが厚さ０．２μｍのＡｌ、上部圧電膜及び下部圧電膜が厚さ１μｍのＡｌＮで構成されている。図２０には、上部圧電膜と下部圧電膜の平均の残留応力に対する圧電バイモルフ検出子２１乃至２８の検出感度を、残留応力がない場合の検出感度の比として示している。
【００５６】
図２０から明らかなように、圧電バイモルフ検出子２１乃至２８に引っ張りの残留応力が存在すると、圧電バイモルフ検出子２１乃至２８の変形は、急速に抑制される。その結果、２００ＭＰａの引張り応力により感度はわずか１５％程度に低下する。一方、圧縮残留応力の存在により圧電バイモルフ検出子２１乃至２８の座屈現象が生じ、感度は非常に不安定になり、また図には示さないが加速度に対してもヒステリシス特性を示すようになる。このように、直線状の圧電バイモルフ検出子２１乃至２８を使用した場合は、わずかな残留応力の変化により安定な検出感度を得ることができない。また、検出回路のキャリブレーションなどによっても、補正することが非常に困難である。これにより、圧電バイモルフ検出子２１乃至２８がリング状の部分と直線状の部分を組み合わせた形状に形成されることで、残留応力の問題を回避可能であることが理解できる。
【００５７】
上述したような本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサにおいては、重錘３と基体２との間を、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８で直接接続されている。この構造により検出感度が向上される。このため、重錘３の質量及び寸法を小さくしても高精度の検出ができ、センサを小型化することが可能になる。また、圧電膜を圧電定数の温度依存性が小さいＡｌＮ、又はＺｎＯ等の部材で形成することが可能となり、温度補償の必要なしに、高精度に加速度を検出することができる。さらに、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８を屈曲した形状に形成することで、成膜法により圧電膜を形成する場合に不可避である残留応力による検出感度への影響を大幅に低減することが可能となる。また、圧電バイモルフ検出子１１乃至１８をＸ軸及びＹ軸に対して対称に配置され、加速度を成分毎に検出することが可能となる。
【００５８】
[第２の実施の形態]
本発明の第２の実施の形態に係る角速度センサを詳細に説明する前に、角速度センサの基本原理を説明する。
【００５９】
本発明に係る角速度センサは、重錘３に作用するコリオリ力を利用して角速度を検出している。コリオリ力を検出することで角速度を検出する基本原理について、図２１を参照しながら説明する。いま、ＸＹＺ三次元座標系の原点位置に振動子１０が置かれているとする。この振動子１０は、本発明のセンサにおける重錘３に相当する。この振動子１０のＸ軸まわりの角速度ωｘを検出するには、図２１に示すように、この振動子１０にＺ軸方向の振動Ｕｚを与え、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｃｙを測定すればよい。振動子１０に発生するコリオリ力Ｆｃｙは、次式のように表される。
【００６０】
Ｆｃｙ  ＝  ２ｍ・ｖｚ・ωｘ
ここで、ｍは、振動子１０の質量、ｖｚは、振動子１０の振動方向（Ｚ軸方向）の瞬時の速度、ωｘは、Ｘ軸まわりの振動子１０の瞬時の角速度を表す。また、この振動子１０のＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するには、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｃｘを測定すればよい。このように、ＸおよびＹ軸の角速度を検出するには、振動子１０をＺ軸方向に振動させる機構と、振動子１０に作用するＸ軸方向のコリオリ力Ｆｃｘを検出する機構と、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙを検出する機構とが必要になる。振動子１０の速度は、振動機構の出力から算出することができる。
【００６１】
図２２は、本発明の第２の実施の形態に係る２軸の角速度センサを概略的に示す上面図である。図２３には、図２２に示されるＫ−Ｋ線に沿って切断したセンサの断面図を示している。
【００６２】
この角速度センサは、板状の基板１と、基板１の上面に設置固定され、支持面を有し、その内に駆動部が形成されるリング状或いは枠体上の支持用の基体２、リング状基体２内の基板１の中央領域上に配置される直方体の重錘３、及び一端を基体２に接続され、他端を重錘３に接続された屈曲した形状を有する８個の圧電バイモルフ検出子３１乃至３８、一端を基体２に接続され、他端を重錘３に接続された屈曲した形状を有する８個の圧電バイモルフ励振子４１乃至４８から構成されている。
【００６３】
本明細書では、説明の便宜を考慮して、この基体２の中心部に原点Ｏを定め、図２２及び図２３の矢印方向に、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義している。ＸＹ平面は、基体２の上面に平行な平面（仮想面）となり、Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸の交点（原点Ｏに相当する。）から延出され、この面に垂直な軸となる。
【００６４】
図２２に示すように、圧電バイモルフ検出子３１、３２のペア及び圧電バイモルフ検出子３３、３４のペアは、その間を通る軸Ｘに関して対称に形成され、軸Ｘに沿って延出される直線部及び直線部からＹ軸の方向に延出されるヘアピン状に屈曲された屈曲部を備えている。また、圧電バイモルフ検出子３５、３６のペア及び圧電バイモルフ検出子３７、３８のペアは、夫々その間を通る軸Ｙに関して対称に形成され、軸Ｙに沿って延出される直線部及び直線部からＸ軸の方向に延出されるヘアピン状に屈曲された屈曲部を備えている。即ち、基体２の支持面と重錘３の上面とを接続するように、Ｘ軸に沿ってＸ軸の正の領域に圧電バイモルフ検出子３１及び３２が、Ｘ軸の負の領域には圧電バイモルフ検出子３３及び３４が配置されている。また、Ｙ軸に沿ってＹ軸の正の領域に圧電バイモルフ検出子３５及び３６が、Ｙ軸の負の領域には圧電バイモルフ検出子３７及び３８が配置されている。ここで圧電バイモルフ検出子３１乃至３４はＸ軸方向におけるコリオリ力を検出する為に設けられ、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８はＹ軸方向におけるコリオリ力を検出する為に設けられている。また、圧電バイモルフ検出子３１、３４、３６，３７は、同一サイズ並びに同一形状に形成され、また、圧電バイモルフ検出子３２、３３、３４，３５も同一サイズ並びに同一形状に形成されている。
【００６５】
さらに、基体２の支持面と重錘３の上面を接続するように、８個の圧電バイモルフ励振子４１乃至４８が配置されている。ここで、圧電バイモルフ励振子４１、４２のペア及び圧電バイモルフ励振子４３、４４のペアは、その間を通る軸Ｘに関して対称に形成され、互いにＹ方向に沿って間隔を空けて対象に配置され、軸Ｘに沿って延出される直線部及び直線部からＹ軸の方向に延出されるヘアピン状に屈曲された屈曲部を備えている。また、圧電バイモルフ励振子４５、４６のペア及び圧電バイモルフ励振子４７、４８のペアも、その間を通る軸Ｙに関して対称に形成され、互いにＸ方向に沿って間隔を空けて対象に配置され、軸Ｙに沿って延出される直線部及び直線部からＸ軸の方向に延出されるヘアピン状に屈曲された屈曲部を備えている。ここで、圧電バイモルフ励振子４１、４４、４６、４８は、同一サイズ並びに同一形状に形成され、また、圧電バイモルフ励振子４２、４３、４５、４７も同一サイズ並びに同一形状に形成されている。これらの圧電バイモルフ励振子４１乃至４８は重錘３をＺ軸方向に振動させる為に設けられている。上述した圧電バイモルフ検出子３１乃至３８及び圧電バイモルフ励振子４１乃至４８は、図２４に示すように、Ｘ−Ｙ面内に４箇所の屈曲部を有している。
【００６６】
尚、圧電バイモルフ検出子３１乃至３８及び圧電バイモルフ励振子４１乃至４８の形状は、Ｘ−Ｙ面内に少なくとも１ヶ所の平面的な屈曲部を有すれば良く、図３に示すようなリング状の部分と直線状の部分を組み合わせた形状でも良い。
【００６７】
圧電バイモルフ検出子３１乃至３８及び圧電バイモルフ励振子４１乃至４８の構造についての詳細な説明をする。圧電バイモルフ検出子３１乃至３８及び圧電バイモルフ励振子４１乃至４８は、全て同一の構造を有している。１つの圧電バイモルフ励振子、例えば、圧電バイモルフ励振子４２の構造が図２４〜図２６に示されている。この圧電バイモルフ励振子４２の構造を図２４〜図２６を参照して説明する。図２４は、圧電バイモルフ励振子４２を概略的に示す上面図である。図２５は、図２４に示すＮ−Ｎ線に沿って切断したセンサの断面図、図２６は、図２４に示すＰ−Ｐ線に沿って切断したセンサの断面図を示している。
【００６８】
圧電バイモルフ励振子４２は、図２４に示されるように、略Ｌ字状の第１の部分４２ａと同様に略Ｌ字状の第２の部分４２ｂとから構成されている。圧電バイモルフ励振子４２の第１部分４２ａ及び第２部分４２ｂは、いずれも一対の上部電極４ａ、４ｂ、一対の上部圧電膜５ａ、５ｂ、一対の中間電極６ａ、６ｂ、一対の下部圧電膜７ａ、７ｂ、及び一対の下部電極８ａ、８ｂが積層された積層構造を有している。第１の部分４２ａと第２の部分４２ｂにおいては、各電極は、図２５及び図２６に示すように、両部分に連続して延出されるように形成されず、互いに物理的に接触されないように形成されている。即ち、上部電極４ａと上部電極４ｂ、中間電極６ａと中間電極６ｂ、及び下部電極８ａと下部電極８ｂとは、電気的に接続されないように形成される。また、図２５に示すように、第１の部分４２ａの上部電極４ａ及び下部電極８ａは、ヴィアホール９ａにより第２の部分４２ｂの中間電極６ｂに接続されている。また、図２６に示すように、第１の部分４２ａの中間電極６ａは、ヴィアホール９ｂにより第２の部分４２ｂの上部電極４ｂ及び下部電極８ｂに接続されている。上部圧電膜５ａ、５ｂ及び下部圧電膜７ａ、７ｂは、全てＺ軸方向に分極を持つように形成されている。
【００６９】
一般に、圧電素子には、外部から電圧を加えると、圧電素子内部の所定方向に圧力が発生する性質を有する。図２７は、図２４に示すＭ−Ｍ線に沿って切断した圧電バイモルフ励振子４２の断面を示している。図２７を参照して、圧電バイモルフ励振子４２の電極間に電圧を印加した場合にどのような現象が起こるかを説明する。圧電バイモルフ励振子４２の上部電極４ａに正、中間電極６ａに負の電圧を印加すると、上部圧電膜５ａは、Ｚ軸方向に分極されていることから、厚み方向（Ｚ軸方向）に圧縮応力を、Ｘ軸およびＹ軸方向に引張り応力を生じる。また、中間電極６ａに負、下部電極８ａに正の電圧を印加すると、下部圧電膜７ａも、Ｚ軸方向に分極されていることから、厚み方向に引張り応力を、Ｘ軸およびＹ軸方向に圧縮応力を生じる。従って、圧電バイモルフ励振子４２の第１の部分４２ａは、Ｚ軸の正方向に凸に反る。一方、第２の部分４２ｂの上部電極４ｂ、中間電極６ｂ、及び下部電極８ｂは、第１の部分と逆相に接続されていることから、Ｚ軸の負方向に凸に反る。
【００７０】
図２８は、圧電バイモルフ励振子４１乃至４８で重錘３が振動されている場合における、図２２に示すＫ−Ｋ線に沿って切断されたセンサを示している。圧電バイモルフ励振子４２とＹ軸上で対称の位置に設置されている圧電バイモルフ励振子４３についても、同様に上部電極４ａに正、中間電極６ａに負の電圧を印加すると、圧電バイモルフ励振子３２とＹ軸対称に同様に変形する。即ち、圧電バイモルフ検出子４２及び４３は、図２８に示すように、変形される。その結果、重錘３は、Ｚ軸正方向に変位されることになる。ここで、上部電極４ａ及び中間電極６ａに供給していた電圧の極性を逆転させると、圧電バイモルフ励振子４２及び４３の伸縮状態も逆転することになり、重錘３はＺ軸負方向に変位する。この２つの変位状態が交互に起こるように、供給電圧の極性を交互に反転させてやれば、重錘３をＺ軸方向に往復運動させることができる。換言すれば、重錘３に対してＺ軸方向に関する振動Ｕｚを与えることができる。
【００７１】
このような電圧供給は、対向する電極間に交流信号を印加することにより実現できる。上述の説明では、圧電バイモルフ励振子４２及び４３の上部電極４ａと中間電極６ａとの間に交流電圧を印加したが、全ての圧電バイモルフ励振子４１乃至４８の上部電極４ａと中間電極６ａとの間に交流電圧を印加することで、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称に、効率よく重錘３をＺ軸方向に振動させることができる。図２９には、交流電源に対する各圧電バイモルフ励振子４１乃至４８の配線が示されている。
【００７２】
角速度を算出する為に必要な重錘３の振動方向の速度は、圧電バイモルフ励振子４１乃至４８に印加する交流電圧の周波数及び振幅から算出することができる。
【００７３】
次に、この第２の実施の形態に係る角速度センサにおけるコリオリ力の検出機構を説明する。コリオリ力の検出機構は、第１の実施の形態で述べた加速度の検出機構と基本的に同じである。
【００７４】
角速度の検出において、先ず、重錘３は、上述した振動機構によりＺ軸方向に振動される。重錘３の振動中に、Ｘ軸まわりに角速度が作用すると、既に述べたようにＹ軸方向にコリオリ力Ｆｃｙが作用する。この場合のセンサの挙動を図３０を参照して説明する。図３０は、図２２に示すＬ−Ｌ線に沿って切断したセンサの断面図を示している。重錘３は、その上面をＹ軸方向に沿って配置されるＹ軸方向の応力検出用の圧電バイモルフ検出子３５乃至３８（３６と３７は図３１に示さず）により基体２に固定されている。このため、この力Ｆｃｙにより反時計回りのモーメント力が生じ、圧電バイモルフ検出子３５及び３８は、図３０に示すように変形される。即ち、圧電バイモルフ検出子３５の第１の部分３５ａは、上方に凸に、第２の部分３５ｂは、下方に凸に反る。また、圧電バイモルフ検出子３８の第１の部分３８ａは、下方に凸に、第２の部分３８ｂは、上方に凸に反る。
【００７５】
圧電バイモルフ検出子３５に生じる応力及び圧電作用についてさらに詳細に図３１に示す。即ち、第１の部分３５ａが上方に凸に反ることにより、上部圧電膜５ａには引張り力が作用し、上部電極４ａには正電荷が、中間電極６ａには負電荷が発生し、下部圧電膜７ａには圧縮力が作用し、中間電極６ａには負電荷が、下部電極８ａには正電荷が発生する。また、第２の部分３５ｂが下方に凸に反ることにより、上部圧電膜５ｂには圧縮力が作用し、上部電極４ｂには負電荷が、中間電極６ｂには正電荷が発生し、下部圧電膜７ｂには引張り力が作用し、中間電極６ｂには正電荷が、下部電極８ｂには負電荷が発生する。一方、上部電極４ａ及び下部電極８ａはヴィアホール９ａにより中間電極６ｂと接続され、中間電極６ａはヴィアホール９ｂにより上部電極４ｂ及び下部電極８ａと接続されているため、上部電極４ａと中間電極６ａの間の電荷を測定することにより、圧電バイモルフ検出子３５に生じる電荷を効率よく測定することができる。
【００７６】
また、図３０に示すように、圧電バイモルフ検出子３５と、重錘３を挟んでＸ軸上の反対側に設置された圧電バイモルフ検出子３８の変形は、軸対称性を考えると逆方向である。このため、圧電バイモルフ検出子３５の上部電極４ａと中間電極６ａとの間に発生する電荷及び圧電バイモルフ検出子３８の上部電極４ａと中間電極６ａとの間に発生する電荷は、絶対値が等しく、逆符号であることが理解できる。
【００７７】
図３２には、Ｙ軸に発生するコリオリ力Ｆｃｙを検出する測定回路の一例が示されている。圧電バイモルフ検出子３５の上部電極４ａ及び中間電極６ａと圧電バイモルフ検出子３６の上部電極４ａ及び中間電極６ａとが同相に接続されている。圧電バイモルフ検出子３７の上部電極４ａ及び中間電極６ａと圧電バイモルフ検出子３８の上部電極４ａ及び中間電極６ａとが逆相で全て直列に端子Ａｙ及び端子Ｂｙに接続されている。端子Ａｙと端子Ｂｙ間の電圧Ｖｙを測定することで、コリオリ力Ｆｃｙを検出することができる。
【００７８】
重錘３がＺ軸方向に沿って振動される間に、Ｙ軸周りに角速度が作用し、Ｘ軸にコリオリ力Ｆｃｘが発生した場合にも、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８の上部電極４ａと中間電極６ａとの間には少量の電荷が発生する。このときに発生する電荷量は、各圧電バイモルフ検出子３５乃至３８のＹ軸からの距離に比例し、極性はＸ軸の正の領域と負の領域で反対になる。従って、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８の上部電極４ａと中間電極６ａとが図３２の回路のように接続されている場合、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８の電荷量はすべて等しく、圧電バイモルフ検出子３５及び３８と圧電バイモルフ検出子３６及び３７とでは極性が逆であるため、電荷は全体として相殺され、電圧を生じない。
【００７９】
また、重錘３はＺ軸方向に振動しており、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８にも大きな電荷が発生する。このときに発生する電荷量と極性は各圧電バイモルフ検出子３５乃至３８で等しい。従って、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８の上部電極４ａと中間電極６ａとが図３２のように接続されている場合、即ち、圧電バイモルフ検出子３５及び３６と圧電バイモルフ検出子３７及び３８とが逆相で接続されている場合、電荷は全体として相殺され、電圧Ｖｙを生じない。
【００８０】
また、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８には、第１の実施の形態に示したように、Ｙ軸方向の加速度Ｆｙによっても電荷を生じる。そして、図３２に示すような検出回路で電圧Ｖｙが検出される。即ち、電圧Ｖｙは、Ｙ軸方向に作用する加速度Ｆｙ及びＹ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｃｙの両方を同時に検出することになる。従って、Ｙ軸方向のコリオリ力を検出するためには、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙにより生じる電圧と加速度Ｆｙにより生じる電圧とを分離しなければならない。
【００８１】
図３３（ａ）は、コリオリ力に起因する電圧と加速度に起因する電圧とを分離して検出する角速度センサにおける信号処理回路を概略的に示している。角速度センサは、所定の周波数を有する駆動信号を発生させるタイミング部１００、検出される電圧を増幅する増幅部１０３、増幅部１０３から出力された電圧信号を取得するサンプリング部１０４、サンプリング部１０４で取得された電圧信号を一時的に格納するバッファＡ１０５及びバッファＢ１０６、及びバッファＡ１０５及びバッファＢ１０６に格納された電圧信号から重錘３に作用する加速度及び角速度を算出する演算部１０７を備えている。
【００８２】
タイミング部１００は、重錘３を振動させる励振部１０１を制御するための所定の周波数を有する駆動信号を発生するとともに、この駆動信号と略同期したタイミング信号を発生する。この駆動信号は、励振部１０１に与えられ、励振部１０１は、与えられた周波数で重錘３をＺ軸方向に振動させる。タイミング信号は、サンプリング部１０４に与えられ、サンプリング部１０４は、増幅部１０３から出力される電圧を抽出するタイミングを制御している。また、タイミング部１００は、サンプリング部１０４とバッファＡ１０５、バッファＢ１０６、及び演算部１０７との動作を同期させるために、バッファＡ１０５、バッファＢ１０６、及び演算部１０７に同期信号を出力する。
【００８３】
励振部１０１は、重錘３をＺ方向に振動させる圧電バイモルフ励振子４１乃至４８に相当し、与えられる駆動信号に基づいて重錘３を振動させる。センサ部１０２は、重錘３及び変位検出部１０２ａから構成される。この変位検出部１０２ａは、重錘３のＹ軸方向への変位を検出する為の圧電バイモルフ検出子３５乃至３８及び図３２に示す検出回路に相当する。変位検出部１０２ｂで検出された電圧Ｖｙは、増幅部１０３により適当な値までに増幅され、サンプリング部に出力される。サンプリング部は、タイミング部から与えられたタイミング信号に従って、増幅部１０３から出力される電圧Ｖｙを抽出するタイミングが制御される。タイミング信号には、励振部１０１に与える駆動信号の位相に対して、（１／２）πだけ遅れるタイミング信号及び（３／２）πだけ遅れるタイミング信号がある。（１／２）πだけ遅れるタイミング信号に従って抽出された電圧Ｖｙは、バッファＡ１０５に格納され、（３／２）πだけ遅れるタイミング信号に従って、抽出された電圧Ｖｙは、バッファＢ１０６に格納される。
【００８４】
図３４（ｂ）には、駆動信号である励振電圧、重錘３のＺ軸方向の振動、及び重錘３のコリオリ力によるＹ軸方向の振動の位相関係が示されている。Ｚ軸方向の振動の位相は、駆動信号に対してπ／２だけ遅れる。また、コリオリ力によるＹ軸方向の振動の位相は、Ｚ軸方向の振動に対してπ／２だけ遅れる。従って、Ｙ軸方向のコリオリ力による振動の位相は、駆動信号の位相に対してπだけ遅れることになる。駆動信号の位相に対して（１／２）πだけ遅れるタイミング信号と、（３／２）πだけ遅れるタイミング信号に従って電圧Ｖｙを抽出することにより、コリオリ力Ｆｃｙに起因する電圧と加速度に起因する電圧とが算出される。
【００８５】
演算部１０７は、バッファＡ１０５及びバッファＢ１０６に格納された電圧Ｖｙが入力され、この電圧Ｖｙに対して予め定められた演算を行う。バッファＡ１０５に格納された電圧ＶｙとバッファＢ１０６に格納された電圧Ｖｙとの差をとると、加速度に起因する成分が相殺され、コリオリ力に起因する電圧Ｖｙが算出される。また、バッファＡ１０５に格納された電圧ＶｙとバッファＢ１０６に格納された電圧Ｖｙとの和をとると、コリオリ力に起因する成分が相殺され、加速度に起因する電圧Ｖｙが算出されることになる。
【００８６】
尚、検出回路から出力される電圧Ｖｙを周波数フィルタに入力し、コリオリ力に起因する電圧Ｖｙと加速度に起因する電圧Ｖｙとに分離することも可能である。加速度に起因する電圧Ｖｙの周波数成分は、通常数十Ｈｚ以下の成分が殆どであるのに対し、コリオリ力に起因する電圧Ｖｙの周波数成分は、重錘３を振動させる振動周波数付近にのみ存在する。この振動周波数は、通常、数ｋＨｚから数十ｋＨｚ程度に設定される。従って、数百Ｈｚのカットオフ周波数を持つ高域通過フィルタを検出回路に接続することにより、電圧Ｖｙのコリオリ力に起因する周波数成分のみを出力することが可能になる。
【００８７】
このようにして、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙを検出するための圧電バイモルフ検出子３５乃至３８により、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙのみを検出することが可能であり、Ｘ軸方向のコリオリ力、Ｚ軸方向の振動、及びＹ軸方向の加速度（もちろんＸ軸方向及びＺ軸方向の加速度）の影響は受けない。
【００８８】
Ｙ軸方向のコリオリ力ＦｃｙがＹ軸に沿って設置した圧電バイモルフ検出子３５乃至３８によって検出されるのと全く同様に、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｃｘは、Ｘ軸に沿って配置した圧電バイモルフ検出子３１乃至３４で検出されることになる。原点Ｏに対して時計回りに９０°回転させれば、Ｙ軸はＸ軸に、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８は検出子３１乃至３４にそれぞれ重なることから、全く同様な方法でＸ軸方向のコリオリ力Ｆｃｘが検出されることが理解できる。検出回路としても図３２と同様なものを使用し、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８を圧電バイモルフ検出子３１乃至３４に置き換えればよい。このようにして、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｃｘを検出するための圧電バイモルフ検出子３１乃至３４により、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｃｘのみ検出することが可能であり、Ｙ軸方向のコリオリ力、Ｚ軸方向の振動、及びＸ軸方向の加速度の影響を受けない。
【００８９】
以上のように、第２の実施の形態に係る角速度センサでは、重錘３に角速度が作用する場合に、２軸まわりの成分毎の角速度を検出することができる。また、これらの２軸方向に作用する加速度を同時に検出することができる。重錘３と基体２とが圧電バイモルフ検出子３１乃至３８及び圧電バイモルフ検出子４１乃至４８で直接接続される。従って、第１の実施の形態に係る加速度センサと同様に、センサの小型化が可能となり、温度補償の必要がない加速度の検出が可能となる。
【００９０】
本発明の第２の実施の形態における角速度センサにおいては、圧電バイモルフ検出子４１乃至４８をＺ軸振動用の励振子として、圧電バイモルフ検出子３１乃至３４をＸ軸方向のコリオリ力検出用の検出子として機能させている。また、圧電バイモルフ検出子３５乃至３８をＹ軸方向のコリオリ力検出用の検出子として機能させている。しかしながら、圧電バイモルフ検出子３１乃至３８と圧電バイモルフ励振子４１乃至４８は全て同一の構造を有しており、どの素子も、電圧を印加することにより励振子として動作させることができ、どの素子も、変形により発生する電荷を検出することで検出子とし動作させることができる。従って、圧電バイモルフ検出子３１乃至３８及び圧電バイモルフ励振子４１乃至４８の組み合わせは、第２の実施の形態に限られない。次に、圧電バイモルフ検出子３１乃至３８及び圧電バイモルフ励振子４１乃至４８の組み合わせを変更したセンサを、第２の実施の形態の変形例として説明する。以下では、圧電バイモルフ検出子及び圧電バイモルフ励振子を圧電バイモルフ素子と表記している。
【００９１】
本発明の第２の実施の形態の変形例１では、圧電バイモルフ素子３１乃至３８をＺ軸振動用の励振子として、圧電バイモルフ素子４１乃至４４をＸ軸方向のコリオリ力検出用の検出子として、また圧電バイモルフ素子４５乃至４８をＹ軸方向のコリオリ力検出用の検出子として動作させている。第２の実施の形態と、変形例１の圧電バイモルフ素子の組み合わせを図３４に示す。励振用の回路としては、図２９と同等のものを使用でき、検出用の検出回路として、図３２と同等のものが使用できる。
【００９２】
本発明の第２の実施の形態に係る角速度センサでは、圧電バイモルフ素子４１乃至４８で、重錘３をＺ軸方向へ振動させている。しかしながら、振動方向は、Ｚ軸方向のみには限定されず、Ｘ軸方向又はＹ軸方向であっても良い。
【００９３】
本発明の第２の実施の形態の変形例２では、圧電バイモルフ素子３１乃至３４をＸ軸振動用の励振子として、圧電バイモルフ素子３５乃至３８をＹ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙ検出用の検出子として、また圧電バイモルフ素子４１乃至４８をＺ軸方向のコリオリ力Ｆｃｚ検出用の検出子として動作させている。図３５は、変形例２の各圧電バイモルフ素子の組み合わせ表を示している。Ｘ軸方向の励振用の回路としては、図３６に示すように、圧電バイモルフ素子３１及び３２の上部電極４ａ及び中間電極６ａと、圧電バイモルフ素子３３及び３４の上部電極４ａ及び中間電極６ａとが逆相になるように接続すればよい。また、Ｙ軸の検出用の検出回路として、図３７に示すように、圧電バイモルフ素子３５及び３６の上部電極４ａ及び中間電極６ａを逆相に、圧電バイモルフ素子３７及び３８の上部電極４ａ及び中間電極６ａを逆相にして全て直列に接続し、発生する電圧Ｖｙを検出すればよい。また、Ｚ軸の検出用の回路として、図３８に示すように、各圧電バイモルフ素子４１乃至４８の上部電極４ａ及び中間電極６ａを直列に接続し、発生する電圧Ｖｚを検出すればよい。
【００９４】
本発明の第２の実施の形態の変形例３では、圧電バイモルフ素子４１乃至４４をＸ軸方向の振動用の励振子として、圧電バイモルフ素子４５乃至４８をＹ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙ検出用の検出子として、また圧電バイモルフ素子３１乃至３８をＺ軸方向のコリオリ力Ｆｃｚ検出用の検出子として機能させている。図３５には、変形例２及び変形例３における各圧電バイモルフ素子３１乃至３８及び４１乃至４８の組み合わせ表が示されている。励振用の回路及び検出用の回路は、図３６、図３７、及び図３８において、対応する符号を読み替えれば良い。即ち、Ｘ軸方向の励振用の回路としては、図３６と同等の回路、また、Ｙ軸の検出用の検出回路として、図３７と同等の回路、Ｚ軸の検出用の検出回路として、図３８と同等の回路を使用することができる。また、図３９には、重錘３をＹ軸方向に励振させ、Ｘ軸及びＺ軸まわりの角速度を検出できる角速度センサである変形例５及び変形例６の圧電バイモルフ素子の組み合わせ表が示されている。この変形例５及び変形例６においても、２軸周りの角速度及び加速度を検出することができる。
【００９５】
[第３の実施の形態]
第３の実施の形態では、３軸の加速度と２軸の角速度を同時に検出することが可能な角速度センサについて詳細に説明をする。第３の実施の形態に係る角速度センサは、図２２に示すような第２の実施の形態に係る角度センサと同じ構造を有している。ただし、励振子と検出子との組み合わせ及び検出回路を一部変更している。
【００９６】
この角速度センサでは、第２の実施の形態と同様に、圧電バイモルフ素子３１乃至３４が重錘３のＸ軸方向の変位を検出する検出用素子として、圧電バイモルフ素子３５乃至３８が重錘３のＹ軸方向の変位を検出する検出用素子として使用される。そして、圧電バイモルフ素子４１乃至４４が重錘３のＺ軸方向の変位を検出する検出用素子として、圧電バイモルフ素子４５乃至４８が重錘３をＺ軸方向に振動させる励振用素子として使用される。圧電バイモルフ素子４５乃至４８の上部電極４ａ及び中間電極６ａには、図４０に示されるように、交流の駆動信号が印加される。
【００９７】
このような角速度センサでは、前述したように、重錘３に作用する加速度及びコリオリ力により生じる電圧が同時に検出されることになる。このため、検出される電圧から加速度に起因する電圧とコリオリ力に起因する電圧とを分離しなければならない。本実施の形態では、加速度に起因する電圧とコリオリ力に起因する電圧とを分離するために、低域通過フィルタ及び高域通過フィルタを検出回路に組み込んでいる。図４１には、重錘３のＸ軸方向の変位を検出する検出回路が示されている。この検出回路では、圧電バイモルフ素子３１乃至３４の上部電極４ａと中間電極６ａとの間に生じる電圧が差動増幅器５１で増幅され、低域通過フィルタ５２及び高域通過フィルタ５３に出力される。この増幅された電圧は、低域通過フィルタ５２に通されることで、電圧のＸ軸方向の加速度に起因する成分のみが取得される。また、高域通過フィルタ５３に通されることで、電圧ＶｘのＸ軸方向のコリオリ力に起因する成分のみが取得される。角速度検出のために重錘３に印加する振動の励振周波数を１０ｋＨｚに設定し、低域通過フィルタ５２及び高域通過フィルタ５３のカットオフ周波数を数百Ｈｚに設定することが好ましい。このようにすると、数十Ｈｚ以下の周波数帯に存在する加速度に起因する成分と励振周波数の周波数帯に存在するコリオリ力に起因する成分とを問題なく分離することが可能である。重錘３のＹ軸方向の変位の検出には、圧電バイモルフ素子３５乃至３８が使用される。そして、圧電バイモルフ素子３５乃至３８に対して図４１に示すＸ軸方向と同じ検出回路を使用することで、Ｙ軸方向の加速度に起因する電圧とＹ軸方向のコリオリ力に起因する電圧とを分離して検出することができる。
【００９８】
図４２には、重錘３のＺ軸方向の変位を検出する検出回路が示されている。重錘３は、Ｚ軸方向にのみ振動されるため、Ｚ軸方向にコリオリ力は、作用しない。しかし、Ｚ軸方向に強制的に振動を加えているため、重錘３は、Ｚ軸方向に変位されることになる。そのため、圧電バイモルフ素子４５乃至４８は、変形され、電極に電荷が発生する。従って、検出回路では、加速度に起因する電圧と振動に起因する電圧とが同時に検出されることになる。しかしながら、振動に起因する電圧も励振周波数の周波数帯にのみ存在するため、周波数フィルタを介して、加速度に起因する電圧と振動に起因する電圧とを分離して検出することが可能である。
【００９９】
重錘３のＺ軸方向の変位を検出する検出回路では、圧電バイモルフ素子４１乃至４４の上部電極４ａ及び中間電極６ｂとの間に生じる電圧が差動増幅器５１で増幅され、低域通過フィルタ５２に出力される。この増幅された電圧は、低域通過フィルタ５２を通過し、加速度に起因する電圧のみが検出されることになる。
【０１００】
尚、加速度に起因する電圧と振動に起因する電圧との分離には、第２の実施の形態で述べたような信号処理によってなされても良い。
【０１０１】
前述したように、検出したコリオリ力から角速度を算出するには、重錘３の振動方向の速度ｖを算出、或いは検出し、知っておく必要がある。第２の実施の形態に係る角速度センサでは、重錘３の振動方向の速度は、励振用の圧電バイモルフ素子４１乃至４８に印加する交流電圧の振幅及び振動数により定めることができる。しかし、交流電圧の振幅及び振動数により定まる速度ｖは、気圧などの影響を受けて多少の誤差を含む。本実施の形態では、重錘３の振動方向の加速度を検出し、この加速度を参照して、交流電圧の振幅及び振動数から得られる重錘３の振動方向の速度ｖを補正して定めることができる。これにより、さらに高精度に角速度を検出することが可能になる。
【０１０２】
角速度センサの他の実施の形態について説明する。第１の実施の形態に係る加速度センサの圧電バイモルフ検出子１５乃至１８を励振子として機能させることで、２軸の角速度センサを構成することができる。このような構成では、圧電バイモルフ検出子１５乃至１８で重錘３をＺ軸方向に振動させる励振子、圧電バイモルフ検出子１１及び１２によりＸ軸方向の加速度及びコリオリ力を検出する検出子、圧電バイモルフ検出子１３及び１４によりＹ軸方向の加速度及びコリオリ力を検出する検出子として機能される。この実施の形態においては、４個の検出子と４個の励振子とで角速度センサが構成されている。この実施の形態においては、２軸の加速度及び２軸まわりの角速度を検出することができる。
【０１０３】
尚、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る加速度センサを概略的に示す上面図である。
【図２】図１に示した加速度センサをＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。
【図３】図１に示した圧電バイモルフ検出子を概略的に示す平面図である。
【図４】図３に示した圧電バイモルフ検出子をＣ−Ｃ線に沿って切断した断面図である。
【図５】図３に示した圧電バイモルフ検出子をＤ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、図３に示した圧電バイモルフ検出子の上部電極、中間電極、及び下部電極を示す平面図である。
【図７】図１に示した加速度センサに、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用した様子を示す模式図である。
【図８】Ｘ軸方向の力Ｆｘに基づき図７に示した圧電バイモルフ検出子が撓み、この圧電バイモルフ検出子に電荷が発生する様子を示す模式図である。
【図９】図１に示すＢ−Ｂ線に沿った加速度センサの断面図であって、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した様子を示す模式断面図である。
【図１０】図１に示した圧電バイモルフ検出子の圧電膜に残留応力が存在する場合において、圧電バイモルフ検出子の駆動検出感度をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図１１】（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、図１に示した圧電バイモルフ検出子の配線を示す回路図である。
【図１２】図１に示した加速度センサに力が作用する場合における、各圧電バイモルフ検出子の上部電極に発生する電荷の極性及び電荷量を概略的に示す表である。
【図１３】第１の比較例に係る加速度センサを概略的に示す上面図である。
【図１４】図１３に示した加速度センサのＥ−Ｅ線に沿って切断した断面図である。
【図１５】図１３に示した圧電バイモルフ検出子を概略的に示す平面図である。
【図１６】図１５に示した圧電バイモルフ検出子をＩ−Ｉ線に沿って切断した断面図である。
【図１７】図１５に示した圧電バイモルフ検出子をＪ−Ｊ線に沿って切断した断面図である。
【図１８】図１３に示した示すＨ−Ｈ線に沿った加速度センサを模示的に示す断面図であって、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用した様子を示す模式断面図である。
【図１９】図１３に示し示すＨ−Ｈ線に沿った加速度センサに、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した様子を示す模式断面図である。
【図２０】図１３に示した圧電バイモルフ検出子の圧電膜に残留応力が存在する場合において、圧電バイモルフ検出子の駆動検出感度をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図２１】振動子に作用する角速度を検出する原理を説明する為の図である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態に係る角速度センサを概略的に示す上面図である。
【図２３】図２２に示した角速度センサをＫ−Ｋ線に沿って切断した断面図である。
【図２４】図２２に示した圧電バイモルフ検出子を概略的に示す上面図である。
【図２５】図２２に示した圧電バイモルフ検出子をＮ−Ｎ線に沿って切断した断面図である。
【図２６】図２２に示した圧電バイモルフ検出子をＰ−Ｐ線に沿って切断した断面図である。
【図２７】図２４に示した圧電バイモルフ励振子に電圧を印加した場合における圧電バイモルフ励振子の動作を示す模式図である。
【図２８】図２２に示すＸ−Ｘ線に沿った角速度センサを模示的に示す断面図であって、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用した様子を示す模式断面図である。
【図２９】図２２に示した圧電バイモルフ励振子の配線を示す回路図である。
【図３０】図２２に示した示すＬ−Ｌ線に沿った角速度センサを模示的に示す断面図であって、、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙが作用した様子を示す模式断面図である。
【図３１】図３１に示した圧電バイモルフ検出子の圧電効果により電極に電荷が発生する様子を示す模式図である。
【図３２】図２２に示した圧電バイモルフ検出子の配線を示す回路図である。
【図３３】（ａ）は、図３２に示した回路図で検出される信号の信号処理を示すブロック図であり、（ｂ）は、図２２に示した角速度センサにおける励振電圧、Ｚ軸方向の振動、及びＹ軸方向に作用するコリオリ力の位相関係を示すグラフである。
【図３４】第２の実施の形態と第２の変形例における各圧電バイモルフ素子の対応関係を示す表である。
【図３５】第２の変形例と第３の変形例における各圧電バイモルフ素子の対応関係を示す表である。
【図３６】第２の変形例における励振用の圧電バイモルフ素子の配線を示す回路図である。
【図３７】第２の変形例におけるＹ軸方向に作用する力を検出用する為の圧電バイモルフ素子の配線を示す回路図である。
【図３８】第２の変形例におけるＺ軸方向に作用する力を検出用する為の圧電バイモルフ素子の配線を示す回路図である。
【図３９】第５の変形例及び第６の変形例における各圧電バイモルフ素子の対応関係を示す表である。
【図４０】第３の実施の形態に係る角速度センサにおける励振用の圧電バイモルフ素子の配線を示す回路図である。
【図４１】第３の実施の形態に係る角速度センサにおけるＸ軸方向に作用する力を検出用する為の圧電バイモルフ素子の配線を示す回路図である。
【図４２】第３の実施の形態に係る角速度センサにおけるＺ軸方向に作用する力を検出用する為の圧電バイモルフ素子の配線を示す回路図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１…基板、２…基体、３…重錘、４…上部電極、５…上部圧電膜、６…中間電極、７…下部圧電膜、８…下部電極、９…ヴィアホール、１０…振動子、１１〜１８…圧電バイモルフ検出子、２１〜２８…圧電バイモルフ検出子（直線状）、３１〜３８…圧電バイモルフ検出子、４１〜４８…圧電バイモルフ励振子、５１…差動増幅器、５２…低域通過フィルタ、５３…高域通過フィルタ、１００…タイミング部、１０１…励振部、１０２…センサ部、１０３…増幅部、１０４…サンプリング部、１０５…バッファＡ、１０６…バッファＢ、１０７…演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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