(57)【要約】【課題】感度の向上を図ることができる圧電式の物理量センサを提供する。【解決手段】検出錘３５、３６を支持する第１検出梁４１ａおよび第２検出梁４１ｂのバネ定数を異ならせる。そして、第１検出梁４１ａおよび第２検出梁４１ｂの一方のｘ軸方向の寸法を大きくし、検出圧電膜６１ａ〜６１ｄの形成面積を大きくすることで感度向上を図りつつ、他方のｘ軸方向の寸法を抑制することで検出共振周波数が大きくなることを抑制する。これにより、感度の向上を図ることが可能となる。【選択図】図１
2018004451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量を検出する物理量センサであって、
基板（１０）と、
前記基板に対して、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、前記物理量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圧電膜（６１ａ〜６１ｄ）と、を備え、
前記検出梁は、前記検出錘を前記一方向において位置をずらして両持ちする第１検出梁（４１ａ）および第２検出梁（４１ｂ）を有し、前記第１検出梁と前記第２検出梁とのバネ定数が異なっており、前記第１検出梁に前記検出圧電膜が備えられている物理量センサ。
【請求項２】
前記一方向において、前記第１検出梁の寸法が前記第２検出梁の寸法よりも大きくされることで前記第１検出梁のバネ定数が前記第２検出梁のバネ定数よりも大きくされている請求項１に記載の物理量センサ。
【請求項３】
前記第１検出梁と前記第２検出梁とが異種材料で構成されることで、前記第１検出梁と前記第２検出梁とのバネ定数が異なっている請求項１に記載の物理量センサ。
【請求項４】
前記検出錘の移動軌跡が含まれる平面に対する法線方向において、前記第１検出梁の寸法と前記第２検出梁の寸法とを異ならせることで、前記第１検出梁と前記第２検出梁とのバネ定数が異なっている請求項１に記載の物理量センサ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の物理量センサを角速度検出に適用した振動型角速度センサであって、
前記基板に対して支持梁（４３ｂ）を介して支持された駆動錘（３３、３４）を有し、
前記検出錘は、前記第１検出梁および前記第２検出梁を介して前記駆動錘に対して支持され、
前記駆動錘を駆動振動させているときに、物理量として角速度が印加されると、該物理量の印加に伴って前記検出錘が移動すると共に前記第１検出梁および前記第２検出梁が変位し、前記第１検出梁および前記第２検出梁の変位を前記検出圧電膜の出力電圧として出力する振動型角速度センサ。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の物理量センサを角速度検出に適用した振動型角速度センサであって、
前記検出錘は２つ備えられることで一対とされ、
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）が一対備えられると共に、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）が備えられた構成とされ、
前記内側駆動錘と前記外側駆動錘とが駆動梁（４２）にて連結されていると共に、
前記支持梁を含む支持部材（４３）にて、前記外側駆動錘および前記検出錘が連結された前記内側駆動錘を前記基板に支持しており、
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、該駆動振動中に物理量として角速度が印加されると前記検出梁が変位すると共に前記検出錘が前記内側駆動錘の振動方向と交差する方向に移動させられ、前記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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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物理量の印加に基づいて変位することで、印加された物理量を検出する物理量センサに関するものであり、例えば角速度センサや加速度センサに適用すると好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、物理量センサとして、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ジャイロセンサが提案されている（例えば特許文献１参照）。このジャイロセンサは、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−００６２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したような構造の物理量センサでは、感度や耐衝撃性を考慮して梁が細くなる傾向にある。物理量センサでは、検出錘の変位を静電容量として取り出す静電容量式のものと、圧電変化として取り出す圧電式のものがあるが、圧電式の場合、細くされた梁に圧電膜を形成することになり、圧電膜の形成面積が少なくなって所望の感度が得られない。しかし、圧電膜の形成面積を確保するために梁を太くすると、梁の剛性が高くなって物理量印加時における検出錘の共振周波数が高くなり、反って感度低下を生じさせてしまい、単に梁を太くするだけでは感度向上を図ることができない。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、感度の向上を図ることができる圧電式の物理量センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の物理量センサは、基板（１０）と、基板に対して、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、物理量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圧電膜（６１ａ〜６１ｄ）と、を備え、検出梁は、検出錘を一方向において位置をずらして両持ちする第１検出梁（４１ａ）および第２検出梁（４１ｂ）を有し、第１検出梁と第２検出梁とのバネ定数が異なっており、第１検出梁に検出圧電膜が備えられている。
【０００７】
このように、検出錘を支持する第１検出梁および第２検出梁のバネ定数を異ならせている。このため、第１検出梁および第２検出梁の一方について、寸法を大きくすることが可能になる。もしくは、第１検出梁および第２検出梁の一方の剛性を低くできることから、第１検出梁および第２検出梁の寸法を等しくしたとしても、両方を剛性の高いもので構成する場合と比較して、寸法を大きくすることが可能となる。したがって、検出圧電膜の形成面積を大きくすることが可能となる。また、検出共振周波数が大きくなることを抑制できる。これにより、感度の向上を図ることが可能となる。
【０００８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１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。
【図２】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。
【図３】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４】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。
【図５Ａ】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。
【図５Ｂ】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明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。
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、物理量センサとして振動型角速度センサ、いわゆるジャイロセンサを例に挙げて説明する。
【００１２】
本実施形態で説明する振動型角速度センサは、物理量として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に適用することもできる。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。また、ここでは、固定部２０として、支持用固定部２１のみを示したが、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備えられた構造であっても良い。
【００１９】
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が順にｘ軸方向に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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
検出梁４１は、内側駆動錘３３、３４の内壁面のうちｙ軸方向と平行とされた辺と検出錘３５、３６の外壁面のうちｙ軸方向と平行とされた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、連結部４１ｃを中心とした両側において、検出錘３５、３６のｙ軸方向両端を検出梁４１で支持している。
【００２５】
このような構成においては、検出梁が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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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が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。
【００２９】
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とを連結部４２ａを介して接続している。
【００３０】
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。
【００３１】
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、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、支持梁４３ｂと反対側の中央位置に連結部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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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に形成されていおり、検出圧電膜６１ａ〜６１ｄ、ダミー圧電膜６２ａ〜６２ｄおよび検出配線６３を備えているた構成とされている。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。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。
【００４０】
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、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、検出配線６３が外部と電気的に接続されている。これにより、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ようになっている。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、検出共振周波数と言う）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。
【００５４】
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、検出共振周波数が狙いの周波数帯となるようにでき、検出共振周波数が大きくなり過ぎることを抑制できる。
【００５５】
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。
【００５６】
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を検出錘３５、３６に対する片側にのみ配置、つまり第１検出梁４１ａのみを備え、第２検出梁４１ｂについては無くすという構造も考えられる。
【００５７】
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。
【００５８】
【数１】
2018004451.tif 000003
【００５９】
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。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態では、検出錘３５、３６を支持する第１検出梁４１ａおよび第２検出梁４１ｂのバネ定数を異ならせている。そして、第１検出梁４１ａおよび第２検出梁４１ｂの一方のｘ軸方向の寸法を大きくし、検出圧電膜６１ａ〜６１ｄの形成面積を大きくすることで感度向上を図りつつ、他方のｘ軸方向の寸法を抑制することで検出共振周波数が大きくなることを抑制している。これにより、感度の向上を図ることが可能となる。
【００６１】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００６２】
（１）上記実施形態では、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂを同じ材料で構成しつつ、これらのｘ軸方向の寸法を異ならせることで、これらのバネ定数を異ならせるようにしている。しかしながら、これは第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとのバネ定数を異ならせる構成の一例を示したに過ぎず、他の構成としても良い。
【００６３】
例えば、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂの材質を異ならせること、つまり剛性が異なる異種材料とすることで、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂとのバネ定数を異ならせることもできる。この場合、例えば、剛性が高い側を第２検出梁４１ｂとし、低い側を第１検出梁４１ａとして、第１検出梁４１ａの幅を第２検出梁４１ｂの幅よりも大きくし、第１検出梁４１ａ側に検出圧電膜６１ａ〜６１ｂが形成されるようにすることができる。また、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂの幅を等しくすることもできる。すなわち、第２検出梁４１ｂを第１検出梁４１ａよりも剛性の低い材質で構成することで、第２検出梁４１ｂも第１検出梁４１ａのように剛性の高い材質で構成する場合と比較して、第１検出梁４１ａおよび第２検出梁４１ｂの幅を大きく取ることができる。したがって、実質的に圧電膜の形成面積を増やすことが可能となり、感度向上を図ることができる。この場合、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂのいずれに検出圧電膜６１ａ〜６１ｄを備えるようにしても良い。
【００６４】
また、ｘｙ平面に対する法線方向、つまり検出錘３５、３６の移動軌跡が含まれる平面に対する法線方向において、第１検出梁４１ａと第２検出梁４１ｂの寸法を異ならせることで、これらのバネ定数を異ならせることもできる。例えば、当該方向において第１検出梁４１ａの寸法を第２検出梁４１ｂの寸法よりも大きくすることで、第１検出梁４１ａの方が第２検出梁４１ｂよりもバネ定数が大きくなるようにすることができる。
【００６５】
（２）上記実施形態では、検出梁４１の位置を検出錘３５、３６を挟んだｘ軸方向の量側としたが、検出錘３５、３６のうちｘ軸方向に沿う辺においてｘ軸方向にずらした位置に２本の検出梁４１を備え、内側駆動錘３４、３５の内壁と接続した構造としても良い。
【００６６】
（３）上記実施形態では、基板１０としてＳＯＩ基板を用いる場合について説明したが、これは基板１０の一例を示したものであり、ＳＯＩ基板以外のものを用いても良い。
【００６７】
（４）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に限らず、それ以上の対となる角速度検出構造が備えられた振動型角速度センサについても本発明を適用できる。
【００６８】
（５）物理量センサとして角速度センサを例に挙げて説明したが、その他の物理量センサにも本発明を適用することができる。例えば、検出梁にて検出錘が支持されたセンサ構造体を有し、印加される加速度に応じて検出錘が移動し、それに伴って検出梁が変位することで、印加された加速度を検出する加速度センサにも本発明を適用できる。また、検出梁にて支持した検出錘に対して強度検出対象となる材料を貼りつけ、当該材料に引張荷重を加えて材料の破壊時の引張荷重を検出梁の歪みより検出する引張力センサ等にも本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００６９】
１０            基板
２０            固定部
３０            可動部
３１、３２      外側駆動錘
３３、３４      内側駆動錘
３５、３６      検出錘
４１            検出梁
４１ａ、４１ｂ  第１、第２検出梁
４３            支持部材
【図１】
2018004451.tif 000004
【図２】
2018004451.tif 000005
【図３】
2018004451.tif 000006
【図４】
2018004451.tif 000007
【図５Ａ】
2018004451.tif 000008
【図５Ｂ】
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