(57)【要約】【課題】優れた耐振・耐衝撃性能を有する圧電振動デバイスを提供する。【解決手段】本発明によるジャイロセンサ装置１に備わる圧電振動デバイス２は、基部２０と、それを挟んで＋Ｙ方向に伸びる駆動腕２１ａ，２１ｂ、及び、−Ｙ方向に伸びる検出腕２２ａ，２２ｂを備える。また、基部２０を挟んで±Ｘ方向）には、湾曲部２４ａ，２４ｂを介して、直線部２５ａ，２５ｂへと連なる支持腕２３ａ，２３ｂが設けられており、直線部２５ａ，２５ｂは、保持部のセンサ固定部へと固定される固定部２７に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に圧電素子を含むセンサ部と、
前記センサ部を保持する固定部と、
湾曲部を含み、かつ、該湾曲部を介して前記センサ部と前記固定部とを接続する支持腕部と、
を有する圧電振動デバイス。
【請求項２】
前記センサ部は、駆動腕と検出腕とからなる振動腕と、該振動腕を支持しかつ前記支持腕部が接続された基部を有する、
請求項１に記載の圧電振動デバイス。
【請求項３】
前記支持腕部は、前記湾曲部がない場合に比して共振周波数が低下するように形成されたものである、
請求項１又は２に記載の圧電振動デバイス。
【請求項４】
前記支持腕部は、湾曲部と直線部とを有する、
請求項１乃至３の何れかに記載の圧電振動デバイス。
【請求項５】
前記支持腕部は、前記湾曲部が複数連設された部分を有する、
請求項１乃至４の何れかに記載の圧電振動デバイス。
【請求項６】
前記固定部は、前記センサ部の少なくとも一部を取り囲む、
請求項１乃至５の何れかに記載の圧電振動デバイス。
【請求項７】
前記支持腕部の前記直線部が、前記センサ部の前記振動腕に沿って延在する、
請求項２乃至６の何れかに記載の圧電振動デバイス。
【請求項８】
前記駆動腕及び前記検出腕は、前記基部を挟んで互いに逆方向に延在する、
請求項２乃至７の何れかに記載の圧電振動デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動検出用圧電素子を備えるデバイスに関し、特に物体の角速度を検出するジャイロセンサ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、微小振動を検出する目的で圧電素子を備えた圧電振動デバイスが用いられている。そのような圧電振動デバイスとしては、超音波センサ、圧力センサ、及びジャイロセンサ（角速度センサ）等の種々のものが存在する。これらのなかでも、例えば、ジャイロセンサは、物体の角速度を検出するものであり、振動する質量体に回転が加えられた際に生じるコリオリ力に起因して発生する振動を、圧電素子を介して検出することにより、各方向における回転（動作）を検知・測定することが可能である。
【０００３】
このようなジャイロセンサ等の圧電振動デバイスは、近時、小型薄型化が進んでおり、薄膜加工や薄膜形成によって得られる圧電薄膜を用いたものが提案又は既に実用化されつつある。しかし、かかる小型かつ薄型の圧電振動デバイスは、一般に、圧電薄膜自体が極めて薄いものであるがゆえに、圧電振動デバイスが搭載される機器やシステムの外部からの振動や衝撃等の影響を受けやすく、それに起因するノイズによって角速度を誤検出してしまいやすい傾向にあることがある。
【０００４】
そこで、特許文献１及び２には、ジャイロセンサの圧電振動素子にサスペンション機構を追設することにより、ジャイロセンサの耐振・耐衝撃性能を向上させることを試みた例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１０６４８１号
【特許文献２】特開２００５−３０８６８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されたジャイロセンサを製造するには、サスペンション機構として、検出用振動アームが延出される中央基部の開口に設けられた撓曲可能なブリッジをジャイロセンサの素子本体自体に取り付けることが必要とされ、構造上、その取り付けに要求される精度が極めて高いことから、その製造は容易ではない。しかも、サスペンション機構の取り付け精度が十分に高くないと、検出用振動アームの振動の節（振動静止点）を確実に押さえて固定することが極めて困難であり、その場合、検出に不都合なノイズが不可避的に発生してしまうことから、ジャイロセンサの耐振・耐衝撃性能としては未だ不十分である。
【０００７】
また、特許文献２に記載された圧電振動素子を備えるジャイロセンサは、検出振動腕を備える圧電振動片が、その両面側（Ｘ−Ｙ平面に沿う両面）から、リード部材を介して格納容器に接続固定されたものであるが、かかる構造は、Ｚ軸振動成分から発生し得るノイズの低減を企図したものであり、圧電振動片は、角速度検出方向（Ｚ軸まわり）に対しては“堅い”（リジッド）状態で保持されている、つまり、回転の検出方向（Ｚ軸に直交するＸ方向又はＹ方向）に対しては固定されていることから、回転の検出時に、回転の検出方向に印加される外部振動の影響によってノイズが生じてしまい、結果として、ジャイロセンサの耐振・耐衝撃性能の低下を招いてしまうという問題があった。
【０００８】
ところで、近年、ジャイロセンサは、カーナビゲーションシステム、デジタル（ビデオ）カメラ、ゲーム機器のコントローラ、携帯電話等の小型電子機器に幅広く搭載されているが、これら機器の更なる小型化に伴い、ジャイロセンサ自体の更なる小型化が図られている。このように、ジャイロセンサ自体（センサ素子）を更に小型化していくと、検出振動の振幅は更に小さくなってしまい、その結果、検出信号は当然に更に小さくなることから、ジャイロセンサに印加される外部振動によるノイズの影響が相対的に大きくなり、そうなると、ジャイロセンサに対して所望の十分な感度を得られ難くなる虞がある。この点においても、ジャイロセンサの耐振・耐衝撃性能を更に向上させることが急務となっている。
【０００９】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来に比して優れた耐振・対衝撃性能を有する圧電振動デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明による圧電振動デバイスは、半導体基板上に圧電素子を含むセンサ部と、センサ部を保持する固定部と、湾曲部を含み、かつ、湾曲部を介してセンサ部と固定部とを接続する複数の支持腕部とを有する。
【００１１】
この構成によれば、圧電振動デバイスのセンサ部を薄膜タイプのものとして形成することができ、また、そのセンサ部が微小振動を検出する際に、その検出方向における外部から衝撃や振動が固定部に印加されたとしても、その外部振動は、支持腕部の湾曲部で抑止、吸収、低減、相殺される等により（ただし、作用はこれらに限定されない）、センサ部への伝達・伝搬が抑制又は防止されるという言わば「ダンピング効果」を得ることができる。また、支持腕部の湾曲部は、他の形状（例えばＬ字状等）に比して外部振動の緩和効果がより高く、それ自体、耐衝撃性に優れているとともに、上述の如く、センサ部への外部振動の伝達が抑制又は防止されるので、センサ部の歪みエネルギーを減少させていわゆる「温度ドリフト効果」を低減させることもでき、これにより、圧電振動デバイスの動作安定性を高めることも可能となる。
【００１２】
具体的には、センサ部が、駆動腕と検出腕とからなる振動腕と、その振動腕を支持しかつ支持腕部が接続された基部を有する構成を例示でき、更に具体的には、駆動腕及び検出腕が、基部を挟んで互いに逆方向に延在する構成が挙げられる。このような構成においては、支持腕部がセンサ部の基部に接続されているので、圧電振動デバイスの外部から固定部を通して外部振動が印加された場合、その外部振動は支持腕部によって基部へ伝達が抑止され、駆動腕と検出腕からなる振動腕への外部振動の影響を確実に防止することができる。
【００１３】
また、本発明による圧電振動デバイスは、支持腕部が湾曲部を含むので、支持腕部の実効長を湾曲部がない場合に比して伸長させることができ、そうすると、支持腕部全体（場合によっては、支持腕部が接続されて一体になった質量体全体（系全体）。以下同様。）の共振周波数が低下するので、センサ部の駆動振動数領域における外部振動の伝達率を低減させることもできる。すなわち、この観点からすれば、支持腕部が、湾曲部がない場合に比して共振周波数が低下するように形成されたものであると有効であるということもできる。
【００１４】
また、支持腕部が湾曲部と直線部（更に具体的には、湾曲部と接続され直線状に延在する直線部）とを有する構成が挙げられる。このようにすれば、湾曲部と直線部を任意に組み合わせることにより、支持腕部に湾曲部を設けつつも、支持腕部を所望かつ任意の形状とする（設計する）ことができるので、センサ部と固定部とがその支持腕部で接続された圧電振動デバイス全体の加工性、汎用性、及び構造安定性を高めることが可能となる。
【００１５】
さらに、支持腕部が、複数の湾曲部が連設された部分を含むように構成してもよい。この場合、複数の湾曲部が近接して又は密に隣接していてもよく、断続的に連続して設けられていてもよい。この構成によれば、複数の湾曲部を有することで支持腕部の実効長を更に伸ばすことができ、これにより、支持腕部の共振周波数を更に低下させて、振動検出方向の外部からの振動に対して、より高い減衰効果を実現することができるとともに、上述した温度ドリフト効果を更に一層低減させることも可能となる。
【００１６】
またさらに、固定部がセンサ部の少なくとも一部を取り囲むようにしても好適である。このように構成すれば、その構造上、センサ部の一部又は全部が固定部によって保護されるので、圧電振動デバイスの構造強度が向上され、外部からの振動や衝撃に対する耐性を更に高めることができるとともに、固定部をセンサ部の周囲の所望の位置に配置することができるので、圧電振動デバイス全体の形状設計裕度、及びの組み立ての自由度をも向上させることができる。
【００１７】
さらにまた、支持腕部が直線部を有するときに、その直線部が、センサ部の振動腕に沿って延在するように構成すると有用である。かかる構成においては、センサ部と支持腕部との間隙を適宜の状態に調整することが容易となり、特に、センサ部と支持腕部とを近接させ易くなるので、圧電素子デバイスの更なる小型化、及び機械的強度（剛性）の向上に資することができる。また、直線部に角速度検出方向（Ｚ軸）等の衝撃が印加された場合に、圧電振動デバイスへの衝撃を更に緩和する効果が期待できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の圧電振動デバイスによれば、湾曲部を有する支持腕を有するので、圧電振動デバイスのセンサ部を薄膜で形成しても、センサ部が微小振動を検出する際に印加された外部から衝撃や振動が、その支持腕部の湾曲部で低減等されることにより、センサ部へ伝達・伝搬してしまうことを有効に抑制又は防止することができ、これにより、耐振・耐衝撃性能を格段に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係るジャイロセンサ装置の構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。
【図３Ａ】第１実施形態に係るジャイロセンサ素子の動作状態を示す斜視図である。
【図３Ｂ】第１実施形態に係るジャイロセンサ素子の動作状態を示す斜視図である。
【図４】第２実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。
【図５】第３実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。
【図６】第４実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。
【図７】第５実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。
【図８】第６実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。
【図９】第６実施形態に係る超音波センサ素子の構成を示す断面図である。
【図１０】第６実施形態に係るジャイロセンサ素子の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００２１】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明による圧電振動デバイスの第１実施形態に係るジャイロセンサ装置１の内部構成を概略的に示す斜視図である。このジャイロセンサ装置１（圧電振動デバイス）においては、例えば、箱状、枠状等の形状をなすケース４の内部に、段差を有して（階段状に）設けられた窪み４１及び４２が形成されており、それらの窪み４１，４２は、それぞれ、内部空間Ｇ１，Ｇ２を画定する。
【００２２】
これらの窪み４１，４２のうち、より深い方の窪み４１の底面には、集積回路素子支持表面４３が設けられており、その上に、集積回路素子３が配置されている。また、より浅い方の窪み４２の周囲には、環状の保持部支持表面４４が設けられており、その上に、保持部５が固定されている。
【００２３】
保持部５は、保持部支持表面４４上に接する平板枠状のベース部５ａと、そのベース部５ａから内部空間Ｇ２へ向けて上方（図示＋Ｚ軸方向）に折り曲げられて延在する傾斜部５ｂを有しており、その傾斜部５ｂの先端部には、集積回路素子支持表面４３及び保持部支持表面４４と平行な面内に再度折り曲げられてなるセンサ固定部５ｃが設けられている。そして、センサ固定部５ｃには、ジャイロセンサ素子２が、センサ固定部５ｃと同一面内に位置するように、又は、センサ固定部５ｃと平行になるように固定されており、かつ、内部空間Ｇ２内に保持されている。
【００２４】
集積回路３は、後述するジャイロセンサ素子２の各駆動腕２１ａ及び２１ｂに設けられた複数の圧電素子に駆動信号を送信すると共に、後述するジャイロセンサ素子２の各検出腕２２ａ及び２２ｂに設けられた複数の圧電素子から出力される検出信号を受信するためのものである。なお、ケース４は、例えば複数のセラミック薄板を積層することによって形成されたものが挙げられ、通常、ジャイロセンサ装置１の使用状態においては、内部空間Ｇ２上の開放部分を覆う蓋部（図示せず）によって密閉される。
【００２５】
図２は、ジャイロセンサ素子２の構成の一例を示す平面図（上面図）である。ジャイロセンサ素子２は、中央に位置しかつ平面視において長方形（矩形）をなす基部２０と、基部２０を挟んで一方（図２では＋Ｙ方向）に伸びる一対の駆動腕２１ａ，２１ｂ、及び、その駆動腕とは反対側（図２では−Ｙ方向）に伸びる一対の検出腕２２ａ，２２ｂを備えるものである。また、駆動腕と検出腕を備える基部２０の長方形形状のうち駆動腕及び検出腕が対向する辺とは別の対向する辺（図２では±Ｘ方向）には、基部２０を挟んで湾曲部２４ａ，２４ｂを介して、それぞれ直線部２５ａ，２５ｂへと連なる一対の支持腕２３ａ，２３ｂが設けられており、それらの直線部２５ａ，２５ｂは、前述した保持部５のセンサ固定部５ｃへと固定される固定部２７に接続されている。
【００２６】
同図に示す如く、上記一対の駆動腕２１ａ，２１ｂ、検出腕２２ａ，２２ｂ、支持腕２３ａ，２３ｂの各々は、基部２０に対して左右対称に設置されている。なお、本明細書において、「左右」方向とは、図示±Ｘ方向、すなわち、ジャイロセンサ素子２の重心位置を勘案して決定される仮想的な振動静止点α（図２参照）を通り、かつ、駆動腕２１ａ，２１ｂ、検出腕２２ａ，２２ｂ、支持腕２３ａ，２３ｂの直線部２５ａ，２５ｂの各々の延在方向に沿って平行に伸びる仮想的な中心線βに直交する方向（±Ｘ方向）を示す。また、「左右対称」とは、紙面における左右方向の対称性を指すために便宜的に用いたものであり、中心線βを対称軸として線対称であることを示す。さらに、本実施形態においては、ジャイロセンサ素子２として、横置き音叉型のものを例示しているが、この場合の「音叉」とは、ジャイロセンサ素子２を構成する部位（要素）のうち、基部２０、駆動腕２１ａ，２１ｂ、及び検出腕２２ａ，２２ｂからなる部分を示す。
【００２７】
本実施形態における、基部２０、駆動腕２１ａ，２１ｂ、検出腕２２ａ，２２ｂ、支持腕２３ａ，２３ｂ、及び固定部２７から構成されるジャイロセンサ素子２は、共通の材料（例えばシリコン）からなり、一般的なウェハ（シリコンウェハ等）のパターニング加工によって一括形成することが可能である。よって、従来の如く音叉部分を形成した後で、その音叉部分に別体の支持部材を取り付ける（接続加工する）場合と比較すると、本発明によりジャイロセンサ素子２は、支持部材及び固定部材まで含めて一括形成することにより、その製造過程における工数が大幅に減少されるだけではなく、予め設計段階で決定された振動静止点αに対応する支持腕２３ａ，２３ｂの取り付けを高精度で行うことが可能となる。
【００２８】
特に、本発明によるジャイロセンサ素子２の製造においては、従来の構成では支持部材の精確な取り付けが極めて困難又は不可能な複雑な形状を有する音叉であっても、事前にシミュレーション等による構造計算の結果に基づいて、ウェハのパターニング設計を変更するのみで簡易に対応することができ、種々の使用条件に応じた種々の形状を備えるジャイロセンサ素子２を確実に製造することが可能となる。
【００２９】
また、基部２０は、図２に示すように、その基部２０に対して左右対称に設けられた一対の支持腕２３ａ，２３ｂによって側面方向（図示±Ｘ方向）から支持されることにより内部空間Ｇ２に保持されており、その結果、基部２０の面方向に延在する駆動腕２１ａ，２１ｂ、及び検出腕２２ａ，２２ｂも内部空間Ｇ２内に保持されている。
【００３０】
ここで、一対の駆動腕２１ａ，２１ｂは、基部２０、検出腕２２ａ，２２ｂ、及び支持腕２３ａ，２３ｂを含む平面上に、左右対称に、かつ基部２０から遠ざかるように＋Ｙ方向へ延在しており、一対の検出腕２２ａ，２２ｂは、基部２０、駆動腕２１ａ，２１ｂ、及び支持腕２３ａ，２３ｂを含む平面上に、左右対称に、かつ基部２０から遠ざかるように−Ｙ方向へと延在しており、このとき、駆動腕２１ａ，２１ｂ及び検出腕２２ａ，２２ｂの長さ（基部２０との接続部位を始点としたＹ方向に沿う長さ）が互いに等しい場合には、検出腕２２ａ，２２ｂの幅（Ｘ方向に沿う長さ）が駆動腕２１ａ，２１ｂの幅に比して大きい（幅広である）ことが好ましい。
【００３１】
このように構成すれば、コリオリ力の検出時に生じる駆動腕２１ａ，２１ｂのＸ軸方向への振動等が検出腕２２ａ，２２ｂに伝搬するのに起因して音叉自体が振動してしまうことを抑止でき、これにより、検出腕２２ａ，２２ｂにおけるコリオリ力の検出においてノイズ信号を誤って検知してしまうことをより有効に防止し易くなる。よって、ジャイロセンサ素子２の角速度検出精度を更に向上させる観点から、駆動腕２１ａ，２１ｂの幅は振動用圧電素子を形成可能な限り狭くすることが可能であり、検出腕２２ａ，２２ｂの幅は基部２０の幅を勘案して可能な限り広くすることが可能である。また、検出腕２２ａ，２２ｂに形成する検出用圧電素子は、検出腕（２２ａ又は２２ｂ）の幅を超えない範囲で広くすることがより好ましい。
【００３２】
さらに、駆動腕２１ａ，２１ｂのいわゆる根元部分（基部２０との接続部位に近い部分）には、それぞれ、各駆動腕２１ａ，２１ｂの延在方向に対して左右対称に配置された一対の振動用圧電素子２６ａ，２６ｂ、及び、一対の振動用圧電素子２６ｃ，２６ｄが設けられている。これらの一対の圧電素子２６ａ，２６ｂ、及び一対の圧電素子２６ｃ，２６ｄは、駆動腕２１ａ，２１ｂのそれぞれを、基部２０、駆動腕２１ａ，２１ｂ、検出腕２２ａ，２２ｂ、及び支持腕２３ａ，２３ｂを含む面に沿ってＸ軸方向に振動させるためのものである。
【００３３】
一方、検出腕２２ａ，２２ｂのいわゆる根元部分（基部２０との接続部位に近い部分）の一方面（表面）には、それぞれ、検出用圧電素子２６ｅ，２６ｇが設けられている。これらの検出用圧電素子２６ｅ，２６ｇは、検出腕２２ａ，２２ｂがＺ軸方向に振動したときに、その振動を検出するためのものである。また、各検出腕２２ａ，２２ｂの他方面（裏面）において、検出用圧電素子２６ｅ，２６ｇに対応する位置に更なる検出用圧電素子２６ｆ，２６ｈを設置してもよく、これらの一対の検出用圧電素子２６ｅ，２６ｆ、及び一対の検出用圧電素子２６ｇ，２６ｈを用いて、一つのコリオリ力に起因して発生する振動を検出することにより、角速度の検出感度及び精度を更に一層高めることも可能である。
【００３４】
図３Ａ及び図３Ｂは、ジャイロセンサ素子２が動作している状態を模式的に示す斜視図であり、ジャイロセンサ素子２による角速度の検出原理を示す図でもある。図３Ａに示すように、ジャイロセンサ素子２は、集積回路素子３からの制御信号により、初期的に、一対の振動用圧電素子２６ａ，２６ｂを逆位相で伸縮させるとともに、振動用圧電素子２６ｃ，２６ｄも逆位相で伸縮させることによって、駆動腕２１ａ，２１ｂをＸ軸方向（図示矢印Ｓ１で示す方向）に振動させる。この時、振動用圧電素子２６ａ，２６ｄを同位相かつ同期して伸縮させ、振動用圧電素子２６ｂ，２６ｃを同位相かつ同期して伸縮させることにより、駆動腕２１ａ，２１ｂは、同一周期で互いに接近と離隔を繰り返するように振動する。
【００３５】
この駆動腕２１ａ，２１ｂの振動中に、ジャイロセンサ装置１が搭載された物体がＹ軸方向を回転軸とする回転運動を行うと、図３Ｂに示されるように、駆動腕２１ａ，２１ｂにコリオリ力が作用し、駆動腕２１ａ，２１ｂは、Ｚ軸方向（図示矢印Ｓ２で示す方向）に逆位相で検出振動を生じる。そして、駆動腕２１ａ，２１ｂに作用するコリオリ力に起因したその振動が基部２０へと伝達されると、基部２０に接続されている検出腕２２ａ，２２ｂが、それぞれ、駆動腕２１ａ，２１ｂに対して、Ｚ軸方向において逆向き（図示矢印Ｓ３で示す方向）に振動することとなり、これらの検出腕２２ａ，２２ｂにおけるＺ軸方向の変位を検出することにより、角速度が検出される。
【００３６】
また、ジャイロセンサ素子２は、先述したとおり、湾曲部２４ａ及び直線部２５ａと、湾曲部２４ｂ及び直線部２５ｂとからなる一対の支持腕２３ａ，２３ｂを有し、それらの支持腕２３ａ，２３ｂによって基部２０が左右側方から担持されることにより、ジャイロセンサ装置１における内部空間Ｇ２に保持されている（図２参照）。ここで、ジャイロセンサ素子２の耐振性能を高めるためには、支持腕２３ａ，２３ｂの湾曲部２４ａ，２４ｂと基部２０との接続位置が、ジャイロセンサ２の振動静止点αを中心として中心線βに対して線対称となる位置であることが好ましい。この構成において、上述したとおり、ジャイロセンサ素子２の検出感度を高めるべく、駆動腕２１ａ，２１ｂの幅に比して検出腕２２ａ，２２ｂの幅を広くする場合、振動静止点αが中心線β上において−Ｙ方向に移動（変位）するので、支持腕２３ａ，２３ｂの湾曲部２４ａ，２４ｂと基部２０との接続位置も−Ｙ方向に移動（変位）することが好ましい。
【００３７】
さらに、支持腕２３ａ，２３ｂの湾曲部２４ａ，２４ｂは、基部２０との接続部位の近辺では、Ｘ軸に沿って基部２０から離れる方向に延伸する直線形状をなし、それから、検出腕２２ａ，２２ｂの延在方向に向かって、Ｕ字状に所定の曲率で略１８０度湾曲（屈曲）し、さらにその先で、所定の曲率で再度逆方向に略９０度湾曲（屈曲）してから直線部２５へと接続される（図２参照）。本発明者の知見によれば、このような湾曲部２４ａ，２４ｂにおいては、ジャイロセンサ素子２が安定した耐振性能を発現するためには、一回目の１８０度の湾曲と二回目の９０度の湾曲の曲率（程度；いわゆる“アール”）が同一又は略同一であることが望ましい。そして、湾曲部２４ａ，２４ｂから延設される直線部２５ａ，２５ｂは、それぞれ、検出腕２２ａ，２２ｂの延在方向と平行、かつ検出腕２２ａ，２２ｂに近接して延在している。このように湾曲部２４ａ，２４ｂを含む支持腕２３ａ，２３ｂの全長は、検出椀２２ａ，２２ｂの全長よりも長くされ、最終的には固定部２７に接続される。
【００３８】
また、ジャイロセンサ素子２における音叉は、一対の支持腕２３ａ，２３ｂによって左右から側面支持されているので、Ｚ軸周りに外部からの衝撃が印加される場合、音叉が板状の基部の底面や上部表面で支持される場合と比較して、音叉自体が回転することが防止される。さらに、支持腕２３ａ，２３ｂが湾曲部２４ａ，２４ｂを有することにより、ジャイロセンサ素子２に外部からＺ軸方向（コリオリ力の検出方向）の衝撃が印加された場合でも、ジャイロセンサ素子２を構成する音叉、すなわち基部２０、駆動腕２１ａ，２１ｂ、検出腕２２ａ，２２ｂにその外部振動が伝搬されないという「ダンピング効果」を有効に発現させることができる。かかる湾曲部２４ａ，２４ｂを有することによるダンピング効果は、ジャイロセンサ素子２に対してＸ方向及び／又はＹ方向の外部衝撃が印加された場合にも有効である。
【００３９】
加えて、湾曲部２４を有することで支持腕２３ａ，２３ｂの実効長が、そのような支持腕２３ａ，２３ｂを有しない場合に比して長くなり、支持腕２３ａ，２３ｂの共振周波数が有意に低下するので、コリオリ力の検出方向の振動に対してより高い振動減衰効果（音叉の駆動周波数における振動伝達率の低減）を実現することが可能となり、その結果、応力緩和効果が高くなるので、耐衝撃性能も向上される。さらに、支持腕２３ａ，２３ｂが湾曲部２４ａ，２４ｂを有することにより、外部からの振動や衝撃に起因して生じ得るジャイロセンサ素子２本体の歪みエネルギーを優位に低減することができる。これにより、ジャイロセンサ素子２によれば、そのような歪みエネルギーが熱エネルギーに変換されて素子本体の温度が上昇してしまう「温度ドリフト効果」を防ぐこともできる。
【００４０】
またさらに、支持腕２３ａ，２３ｂの直線部２５ａ又は２５ｂにＺ軸方向の衝撃が印加されたときにジャイロセンサ素子２全体にかかる力のモーメントは、中心線βから支持腕２３ａ，２３ｂの直線部２５ａ，２５ｂまでの距離が短いほど小さくなるので、支持腕２３ａ，２３ｂの直線部２５ａ，２５ｂを、検出腕２２ａ，２２ｂと同一平面内において検出腕２２ａ，２２ｂに近接して延在させることにより、更に優れた耐振・耐衝撃効果が期待できる。このように、例えば、支持腕２３の直線部２５を検出腕２２により近接させるには、本実施形態における湾曲部２４ａ，２４ｂの形状は、Ｕ字状であることが最も好ましい。
【００４１】
さらにまた、支持腕２３ａ，２３ｂが湾曲部２４ａ，２４ｂを有しているので、湾曲部２４ａ，２４ｂの直線形状部分の長さ、及び、湾曲部分の曲率（湾曲の程度）を適宜調整することにより、直線部２５ａ，２５ｂと検出腕２２ａ，２２ｂとが接触しない程度にまで近接するような構成として、設置面積を低減しつつ、ジャイロセンサ素子２全体の機械的な剛性を高めることも可能である。また、支持腕２３ａ，２３ｂの共振周波数をより低下させる観点から、支持腕２３ａ，２３ｂの幅は、支持対象である音叉を安全に支持可能な限り小さく（細く）することが好ましい。さらに、音叉の形状の変化に応じて、耐振・耐衝撃効果を随意高めるために、支持腕２３ａ，２３ｂの幅を部分的に増減させることも可能である。
【００４２】
また、支持腕２３ａ，２３ｂが接続される固定部２７は、センサ固定部５ｃの端部に固定されている。ここで、センサ固定部５ｃを含む支持部５が、例えば、弾性を有する金属ばねのような弾性体からなる場合には、コリオリ力の検出方向（Ｚ軸方向）に適度に撓むことが可能であり、これにより、耐振・耐衝撃性能を更に向上させるとともに、角速度の検出感度を更に一層高めることができる。なお、固定部２７は、駆動用及び検出用の圧電素子に対する電力を供給する電源（図示せず）に接続されており、固定部２７に設けられた例えば電極パッドから支持腕２３ａ，２３ｂ上に配設された配線線等の導体を通じて、駆動腕２１ａ，２１ｂ及び検出腕２２ａ，２２ｂに対して電力供給を行うことが可能であるので、この場合、圧電素子用に別途配線を設ける必要が無く、かかる配線と駆動腕２１ａ，２１ｂや検出腕２２ａ，２２ｂとの接触等によって生じ得る振動の誤検出といった不都合を抑止し、ジャイロセンサ素子２の耐久性及び信頼性を向上させることもできる。
【００４３】
しかも、ジャイロセンサ素子２は、音叉構造と支持部２３及び固定部２７が、例えばシリコンで一体形成されるものであるので、煩雑な組立工程を経ることなく、ジャイロセンサ素子２における各接続部位は当然ながら極めて高精度で取り付けられ（加工され）、かつ、ジャイロセンサ素子２の剛性を十分に高めることが可能であるので、ジャイロセンサ２の耐振・耐衝撃性能を更に飛躍的に大きく向上させることができる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
図４は、本発明による圧電振動デバイスの第２実施形態に係るジャイロセンサ素子３０の構成の一例を示す平面図（上面図）である。ジャイロセンサ素子３０は、固定部２７に代えて、図示下側の固定辺２７２ａ、同右側の固定辺２７２ｂ、同上側の固定辺２７２ｃ、及び同左側の固定辺２７２ｄを有する長方形（矩形）状の枠体である固定部２７２を備え、基部２０、駆動腕２１ａ，２１ｂ、検出腕２２ａ，２２ｂ、及び支持腕２３ａ，２３ｂの全てが同一平面内において、その固定部２７２で取り囲まれた構造を有すること以外は、前述したジャイロセンサ素子２と同様に構成されたものである。よって、図４においては、ジャイロセンサ素子２と共通する部材には同一の符号を付し、重複した説明を避けるため、ここでは、それらの説明を省略する（図５〜図８において同様とする。）。
【００４５】
このジャイロセンサ素子３０は、第１実施形態と同様に、共通の材料（例えばシリコン）からなり、一般的なウェハ（シリコンウェハ等）のパターニング加工によって一括形成することで可能である。ここで、固定部２７２は、支持腕２３ａ，２３ｂを保持すると同時に、内部の基部２０、駆動腕２１ａ，２１ｂ、検出腕２２ａ，２２ｂ、及び支持腕２３２３ａ，２３ｂ等を四方向から保護することにより、外部からの振動や衝撃に対する耐性を高める効果を奏するものである。
【００４６】
なお、センサ保持部５ｃの端部に固定されるべき固定部２７２の部位は、ジャイロセンサ素子２における固定部２７に対応する固定辺２７２ａに限定されず、図示右側の固定辺２７２ｂ、同上側の固定辺２７２ｃ、同左側の固定辺２７２ｄの何れであってもよい。特に、ケース４の形状を所望の形に変更することを目的として、固定辺２７２ｂ及び２７２ｄをセンサ保持部５ｃに固定接続するようにしてもよい。
【００４７】
＜第３実施形態＞
図５は、本発明による圧電振動デバイスの第３実施形態に係るジャイロセンサ素子４０の構成の一例を示す平面図（上面図）である。ジャイロセンサ素子４０は、湾曲部２４ａ，２４ｂを有する支持腕２３ａ，２３ｂに代えて、２つの湾曲を有する（二重）湾曲部２４３ａ，２４３ｂを備えること以外は、前述したジャイロセンサ素子２と同様に構成されたものである。
【００４８】
ジャイロセンサ素子４０の湾曲部２４３ａ，２４３ｂは、基部２０との接続部位の近辺では、Ｘ軸に沿って基部２０から離れる方向に延伸する直線形状をなし、それから、検出腕（図示しないが検出腕２２ａ，２２ｂと同様）の延在方向に向かって、所定の曲率で略１８０度湾曲（屈曲）し、それから、逆方向に略１８０度湾曲し、さらに、逆方向（一回目の湾曲と同方向）に略１８０度湾曲し、またさらに、再度逆方向（二回目の湾曲と同方向）に略９０度湾曲してから直線部２５３へと接続され、支持腕２３３ａ，２３３ｂは、固定部２７３へと接続されている。このとき、より安定した耐振性能を発現するためには、一回目〜四回目の湾曲の曲率が同一又は略同一であることが望ましい。
【００４９】
このように構成されたジャイロセンサ素子４０も、第１実施形態と同様に、共通の材料のパターニング加工によって一括形成することが可能である。また、二重の湾曲部２４３ａ，２４３ｂを有することにより、ジャイロセンサ素子４０によれば、外部からＺ軸方向（コリオリ力の検出方向）の振動が印加された場合に、更に高いダンピング効果を得ることができる。また、二重の湾曲部２４３ａ，２３ｂを有することにより、支持腕２３３ａ，２３３ｂの実効長がより一層長くなるので、支持腕２３３ａ，２３３ｂの共振周波数を更に低下させることにより、コリオリ力の検出方向の振動に対してより高い減衰効果を得ることが可能となり、これにより、応力緩和効果が更に高まって耐衝撃性能を一層向上させることができ、しかも、「温度ドリフト効果」をも更に低減させることが可能である。
【００５０】
また、二重の湾曲部２４３ａ，２４３ｂを有することにより、検出腕（検出腕２２ａ，２２ｂと同様）に近接する支持腕２３３ａ，２３３ｂの直線部２５３ａ，２５３ｂの長さが第１実施形態に比して短くなるが、湾曲部２４３ａ，２４３ｂにおける湾曲の回数及び直線部２５３ａ，２５３ｂの長さの組み合わせは、音叉の形状や質量等の条件を勘案して、最良の耐振・耐衝撃性能が得られるように予めコンピュータシミュレーション等による構造計算によって適宜選択することができる。また、上述したように、本実施形態のジャイロセンサ素子４０もウェハのパターニング加工による一括形成で製造することが可能であるので、十分に高い生産性をもって簡便に製造することができる。
【００５１】
＜第４実施形態＞
図６は、本発明による圧電振動デバイスの第４実施形態に係るジャイロセンサ５０の構成の一例を示す平面図（上面図）である。ジャイロセンサ５０は、支持腕２３ａ，２３ｂに代えて、別体の固定部２７４ａ，２７４ｂに接続された支持腕２３４ａ，２３４ｂを備えること以外は、前述したジャイロセンサ素子２と同様に構成されたものである。
【００５２】
ジャイロセンサ素子５０における支持腕２３４ａ，２３４ｂと別体の固定部２７４ａ，２７４ｂの組み合わせは、ジャイロセンサ装置１の設計の自由度を更に向上させるものである。ジャイロセンサ素子５０は、例えば、所望の設置場所の形状に合わせてケース４の形状を変更するために、ケース４の内部空間におけるセンサ保持部５ｃの位置及び形状に変更が生じる場合であっても、例えば、一方の支持腕２３４ａの湾曲部及び直線部等を調整することにより対応可能であり、両方の支持腕２３４ａ，２３４ｂのそれぞれの湾曲部及び直線部等を適宜調整してもよい。そのような支持腕の形状の調整は、音叉の形状や質量等の条件を勘案して、最良の耐振・耐衝撃性能が得られるように予めコンピュータシミュレーション等による構造計算によって適宜選択することができる。また、上述したように、本実施形態のジャイロセンサ素子５０もウェハのパターニング加工による一括形成で製造することが可能であるので、十分に高い生産性をもって簡便に製造することができる。
【００５３】
＜第５実施形態＞
図７は、本発明による圧電振動デバイスの第５実施形態に係るジャイロセンサ６０の構成の一例を示す平面図（上面図）である。ジャイロセンサ６０は、ジャイロセンサ素子２の検出腕２２ａ，２２ｂ（図示せず）側に設けられた支持腕２３５ａ，２３５ｂに加えて、同駆動腕２１ａ，２１ｂ（図示せず）側にも支持腕２３５ｃ，２３５ｄが設けられており、それぞれ、固定部２７５ａ，２７５ｂへと接続されていること以外は、ジャイロセンサ素子２と同様に構成されたものである。
【００５４】
かかる構成を有するジャイロセンサ６０によれば、音叉を側面で支持腕２３５ａ，２３５ｂ，２３５ｃ，２３５ｄと接続し、かつ、湾曲後に、図示において上下両方向から支持腕２３５ａ，２３５ｂ，２３５ｃ，２３５ｄを固定することにより、音叉に生じるＺ軸方向の傾きやずれを防止することができる。なお、駆動腕（図示しないが駆動腕２１ａ，２１ｂと同様）は圧電素子によって横方向（Ｘ軸方向）に振動するため、支持腕２３５ｃ，２３５ｄの直線部２５５ｃ，２５５ｄと接触する可能性がある場合には、湾曲部２４５ｃ，２４５ｄの湾曲の程度等を適宜調整するようにすればよい。
【００５５】
＜第６実施形態＞
図８は、本発明による圧電振動デバイスの第６実施形態に係るジャイロセンサ７０の構成の一例を示す平面図（上面図）である。ジャイロセンサ７０は、基部２０から延在する支持腕２３６ａ，２３６ｂが、湾曲によって検出腕（図示しないが検出腕２２ａ，２２ｂと同様）の延在方向と平行な向き（Ｙ軸方向）に延伸することなく、それぞれ、基部２０の左右方向（Ｘ軸方向）に延伸し、かつ、別体の固定部２７６ａ，２７６ｂと接続されていること以外は、ジャイロセンサ素子２と同様に構成されたものである。
【００５６】
かかるジャイロセンサ６０の構成は、ジャイロセンサ用途のみならず、圧電素子を利用する超音波センサ等に用いても特に有効である。ここで、図９は、ジャイロセンサ６０の構成を適用することができる超音波センサ素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。図９に示すように、超音波センサ６は、超音波による薄膜１６０の振動を圧電素子１６１（例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を一対のＰｔで挟んだ積層構造の素子）によって電気的に検出するものであり、角速度を測定するジャイロセンサ素子２のような複数の駆動腕２１ａ，２１ｂ及び検出腕２２ａ，２２ｂを必要としないため、ジャイロセンサ素子２等に比して簡便な構成を有し、小型軽量化が可能であり、かつ、設置自由度も更に増す。
【００５７】
また、図１０は、ジャイロセンサ素子２及び超音波センサ６に対する耐振・耐衝撃効果を更に高めるべく、４本の支持腕２３７ａ，２３７ｂ，２３７ｃ，２３７ｄを、それぞれ、固定部２７７ａ，２７７ｂ，２７７ｃ，２７７ｄに接続してなる、第６実施形態の変形例の構成を示す平面図である。本変形例では、特に軽量な超音波センサ素子６を用いる場合、４本の支持腕２３７ａ，２３７ｂ，２３７ｃ，２３７ｄによってセンサ素子を保持することにより、支持腕２３７ａ，２３７ｂ，２３７ｃ，２３７ｄの直線部が極めて短くても、湾曲部が存在することのみで十分な耐振・耐衝撃効果を得ることが可能であるので、支持腕２３７ａ，２３７ｂ，２３７ｃ，２３７ｄを含む超音波センサ装置のパッケージをより小型化することが可能である。
【００５８】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、先に適宜述べたとおり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更（例えば、各実施形態の内容の適宜な組み合わせ等）が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１…ジャイロセンサ装置（圧電振動デバイス）、２，３０，４０，５０，６０，７０…ジャイロセンサ素子（圧電振動デバイス）、３…集積回路素子、４…ケース、５…保持部、５ａ…ベース部、５ｂ…傾斜部、５ｃ…センサ固定部、６…超音波センサ（圧電振動デバイス）、２０…基部、２１，２１３，２１４，２１５，２１６，２１７…駆動腕、２２，２２３，２２４，２２５，２２６，２２７…検出腕、２３，２３３，２３４，２３５，２３６，２３７…支持腕、２４，２４３，２４４，２４５，２４６，２４７…湾曲部、２５，２５３，２５４，２５５，２５６，２５７…直線部、２６…圧電素子、２７，２７２，２７３，２７４，２７５，２７６，２７７…固定部、１６０…薄膜、１６１…圧電素子、４１，４２…窪み、４３…集積回路素子支持表面、４４…保持部支持表面、Ｇ１，Ｇ２…内部空間、α…振動静止点、β…中心軸、（各部材の符号においては、説明の都合上、必要に応じて、添字の「ａ」、「ｂ」等を適宜割愛した。）。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011075415.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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