(57)【要約】【課題】多軸の角速度センサにおいて、角速度の検出精度を向上することができる技術を提供する。【解決手段】角速度センサは、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４を有する。振動素子ＳＥ１は、励振素子ＤＥ１とコリオリ素子ＣＥ１を含み、振動素子ＳＥ２は、励振素子ＤＥ２とコリオリ素子ＣＥ２を含む。同様に、振動素子ＳＥ３は、励振素子ＤＥ３とコリオリ素子ＣＥ３を含み、振動素子ＳＥ４は、励振素子ＤＥ４とコリオリ素子ＣＥ４を含む。ここで、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ２とは、連結梁ＬＢ１で接続され、かつ、励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３とは、連結梁ＬＢ２で接続され、かつ、励振素子ＤＥ３と励振素子ＤＥ４とは、連結梁ＬＢ３で接続されている。そして、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４は、ｘ方向に並んで配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１方向に励振振動可能な第１励振素子と、前記第１方向と直交する第２方向回りの角速度が印加された場合に、前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に発生するコリオリ力に基づく物理量の変化が生じる第１コリオリ素子と、を含む第１振動素子、
（ｂ）前記第１方向に励振振動可能な第２励振素子と、前記第３方向回りの角速度が印加された場合に、前記第２方向に発生するコリオリ力に基づく物理量の変化が生じる第２コリオリ素子と、を含む第２振動素子、
（ｃ）前記第１方向に励振振動可能な第３励振素子と、前記第３方向回りの角速度が印加された場合に、前記第２方向に発生するコリオリ力に基づく物理量の変化が生じる第３コリオリ素子と、を含む第３振動素子、
（ｄ）前記第１方向に励振振動可能な第４励振素子と、前記第２方向回りの角速度が印加された場合に、前記第３方向に発生するコリオリ力に基づく物理量の変化が生じる第４コリオリ素子と、を含む第４振動素子、
を備え、
前記第１励振素子と前記第２励振素子とは、第１連結梁で接続され、
前記第２励振素子と前記第３励振素子とは、第２連結梁で接続され、
前記第３励振素子と前記第４励振素子とは、第３連結梁で接続され、
前記第１振動素子と前記第２振動素子と前記第３振動素子と前記第４振動素子は、前記第１方向に並んで配置されている、角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１励振素子と前記第４励振素子は、互いに逆位相で振動し、
前記第２励振素子と前記第３励振素子は、互いに逆位相で振動する、角速度センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
前記第１励振素子と前記第２励振素子は、互いに同位相で振動し、
前記第３励振素子と前記第４励振素子は、互いに同位相で振動する、角速度センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
前記第１励振素子と前記第３励振素子は、互いに同位相で振動し、
前記第２励振素子と前記第４励振素子は、互いに同位相で振動する、角速度センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１振動素子と前記第２振動素子と前記第３振動素子と前記第４振動素子は、同一の共振周波数を有する、角速度センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１連結梁のバネ定数と、前記第２連結梁のバネ定数と、前記第３連結梁のバネ定数は、同一である、角速度センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１励振素子と前記第４励振素子は、同一の第１振幅で励振振動し、
前記第２励振素子と前記第３励振素子は、同一の第２振幅で励振振動し、
前記第１振幅と前記第２振幅は、互いに異なる、角速度センサ。
【請求項８】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
さらに、基板に固定された枠部を有し、
前記第１励振素子と前記枠部とは、第１周波数調整用梁で接続され、
前記第４励振素子と前記枠部とは、第２周波数調整用梁で接続される、角速度センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の角速度センサにおいて、
前記第１周波数調整用梁のバネ定数と、前記第２周波数調整用梁のバネ定数は、互いに同一である、角速度センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１方向に並んで配置されている前記第１振動素子と前記第２振動素子と前記第３振動素子と前記第４振動素子の全体に対する前記第１方向の中心位置を通る直線であって、前記第２方向に延在する前記直線を第１中心線とする場合、
前記第１振動素子の構造と前記第４振動素子の構造は、前記第１中心線に対して、鏡像対称性を有し、
前記第２振動素子の構造と前記第３振動素子の構造は、前記第１中心線に対して、鏡像対称性を有する、角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１励振素子と前記第２励振素子と前記第３励振素子と前記第４励振素子のそれぞれは、質量部を有し、
前記質量部は、
前記第１方向に延在する第１部位と、
前記第１部位と離間しながら前記第１方向に延在する第２部位と、
前記第１部位と前記第２部位とを連結するように前記第２方向に延在する第３部位と、
前記第３部位と接続され、かつ、前記第１方向に突出する第４部位と、
を含み、
前記第１部位は、第１支持梁を介して、基板に固定された第１固定部と接続され、
前記第２部位は、第２支持梁を介して、前記基板に固定された第２固定部と接続され、
前記第４部位は、第３支持梁を介して、前記基板に固定された第３固定部と接続される、角速度センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の角速度センサにおいて、
前記第４部位は、前記第２方向の中心位置を通る第２中心線であって、前記第１方向に延在する前記第２中心線上に配置されている、角速度センサ。
【請求項１３】
請求項１１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１連結梁は、前記第１励振素子の第４部位と、前記第２励振素子の第４部位との間に接続され、
前記第３連結梁は、前記第３励振素子の第４部位と、前記第４励振素子の第４部位との間に接続され、
前記第２連結梁は、
前記第２励振素子の第１部位と、前記第３励振素子の第１部位との間に接続される第１部分連結梁と、
前記第２励振素子の第２部位と、前記第３励振素子の第２部位との間に接続される第２部分連結梁と、を含む、角速度センサ。
【請求項１４】
請求項１１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１固定部は、第１外側固定部と第１内側固定部とを含み、
前記第２固定部は、第２外側固定部と第２内側固定部とを含み、
前記第３固定部は、第３外側固定部と第３内側固定部とを含み、
前記第１支持梁は、第１外側支持梁と第１内側支持梁とを含み、
前記第２支持梁は、第２外側支持梁と第２内側支持梁とを含み、
前記第３支持梁は、第３外側支持梁と第３内側支持梁とを含み、
前記第１部位は、前記第１外側支持梁を介して前記第１外側固定部と接続され、かつ、前記第１内側支持梁を介して前記第１内側固定部と接続され、
前記第２部位は、前記第２外側支持梁を介して前記第２外側固定部と接続され、かつ、前記第２内側支持梁を介して前記第２内側固定部と接続され、
前記第４部位は、前記第３外側支持梁を介して前記第３外側固定部と接続され、かつ、前記第３内側支持梁を介して前記第３内側固定部と接続される、角速度センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の角速度センサにおいて、
前記第１外側固定部と前記第１内側固定部は、前記第１部位に対して、互いに反対側に配置され、かつ、前記第２方向の中心位置を通る第２中心線であって、前記第１方向に延在する前記第２中心線に対して、同じ側に配置され、
前記第２外側固定部と前記第２内側固定部は、前記第２部位に対して、互いに反対側に配置され、かつ、前記第２中心線に対して、同じ側に配置され、
前記第３外側固定部と前記第３内側固定部は、前記第４部位に対して、互いに反対側に配置され、かつ、前記第２中心線に対しても、互いに反対側に配置されている、角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサに関し、例えば、第１軸回りの角速度と、第１軸とは直交する第２軸回りの角速度とを検出することができる多軸の角速度センサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００９−１５０８１６号公報（特許文献１）には、４個の振動素子を十字状に連結して、逆位相で振動させる２軸角速度センサが記載されている。
【０００３】
特許第４５１６１１３号公報（特許文献２）には、４個の振動素子が一列に並んでいる構成の１軸角速度センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１５０８１６号公報
【特許文献２】特許第４５１６１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、近年では、複数軸回りの角速度センサを検出できる多軸の角速度センサが望まれている。ここで、上述した特許文献１には、４個の振動素子を十字状に連結して、逆位相で振動させる２軸角速度センサが記載されている。
【０００６】
この点に関し、特許文献１に記載された２軸角速度センサでは、４個の振動素子が十字状に配置されており、中心での振動の結合が２次元となることから、例えば、左右方向に振動する振動素子に、上下方向の振動に起因するノイズ成分が加わることが懸念される。すなわち、特許文献１に記載された２軸角速度センサでは、互いに異なる軸回りの角速度を検出するための振動素子が別方向に振動している結果、一方の振動素子の振動状態が、他方の振動素子の振動状態からの影響をノイズとして受けやすく、角速度の検出精度を向上する観点から、改善の余地が存在する。
【０００７】
一方、特許文献２に記載されている角速度センサは、２軸角速度センサではなく、１軸角速度センサであり、また、第一の対のジャイロスコープ１２Ａ／Ｂは、第二の対のジャイロスコープ１２Ｃ／Ｄに結合されていない構造である。このため、特許文献２に記載された技術は、２軸角速度センサにおいて、互いに異なる軸回りの角速度のそれぞれの検出精度を向上する観点に着目した技術ではなく、特許文献２から上述した改善の余地を把握することさえ困難である。
【０００８】
本発明の目的は、多軸の角速度センサにおいて、角速度の検出精度を向上することができる技術を提供することにある。
【０００９】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施の形態における角速度センサは、第１振動素子と第２振動素子と第３振動素子と第４振動素子とを有する。このとき、第１振動素子と第２振動素子とは、第１連結梁で接続され、第２振動素子と第３振動素子とは、第２連結梁で接続され、第３振動素子と第４振動素子とは、第３連結梁で接続されている。そして、第１振動素子と第２振動素子と第３振動素子と第４振動素子は、第１方向に並んで配置されている。
【発明の効果】
【００１１】
一実施の形態によれば、角速度センサの検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向のそれぞれと自動車の位置関係を示す模式図である。
【図２】実施の形態１における角速度センサの全体構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１における角速度センサの模式的な構成を示す図である。
【図４】実施の形態１における角速度センサに存在する励振振動の振動モードの相対位相を模式的に示す表である。
【図５】実施の形態１における角速度センサの解析の前提となる模式的な構成を示す図である。
【図６】実施の形態１における角速度センサを構成するセンサエレメントの模式的な構成を示す平面図である。
【図７】実施の形態１における角速度センサの動作を説明する図である。
【図８】複数の振動素子を同一の制御回路でｘ方向に励振振動させる結線例を示す図である。
【図９】複数の振動素子を同一の制御回路でｘ方向に励振振動させる他の結線例を示す図である。
【図１０】実施の形態２における角速度センサの構成を示す平面図である。
【図１１】実施の形態３における振動素子の構成を示す平面図である。
【図１２】実施の形態３における他の振動素子の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１４】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００１５】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００１６】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１７】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００１８】
（実施の形態１）
＜多軸の角速度センサの必要性＞
角速度センサは、例えば、ｘ方向（励振方向）に常に励振振動している励振素子である質量体において、この質量体が励振振動しているｘ方向と直交するｚ方向回りに角速度（回転）が印加された場合、ｘ方向に励振振動している質量体が、ｘ方向およびｚ方向に直交するｙ方向（検出方向）に、外部から印加された角速度に比例した大きさで変位するコリオリ現象を利用して角速度を検出するセンサである。特に、本実施の形態１における角速度センサは、それぞれ異なる検出方向の角速度を測定することを想定している。すなわち、本実施の形態１における技術的思想は、ｚ方向回りの角速度だけでなく、ｙ方向回りの角速度も検出することができる角速度センサに関するものである。本明細書では、異なる軸回りの角速度を検出できる角速度センサを「多軸の角速度センサ」と呼ぶ。
【００１９】
このような多軸の角速度センサは、例えば、横滑り防止システムと横転検知システムの両方を搭載した自動車に使用される。
【００２０】
図１は、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向のそれぞれと自動車ＡＭの位置関係を示す模式図である。図１に示すように、例えば、自動車ＡＭの側面と垂直な方向をｘ方向と定義し、自動車ＡＭの進行方向と並行する方向をｙ方向と定義する。また、自動車ＡＭの上面と垂直な方向をｚ方向と定義することにする。図１において、自動車ＡＭの横滑り防止システムでは、地面から垂直となるｚ方向回りの回転を検知することになる一方、自動車ＡＭの横転検知システムでは、地面と水平となるｙ方向回りの回転を検知することになる。したがって、横滑り防止システムと横転検知システムを備える自動車には、多軸の角速度センサが必要となることがわかる。
【００２１】
また、近年の自動車には、ｘ方向回りの角速度とｚ方向回りの角速度を検出することにより、ヘッドライトの向きを自動調整する配向制御システムが搭載されることがある。このような配向制御システムを備える自動車にも、多軸の角速度センサが必要となることがわかる。すなわち、近年の自動車では、様々なシステムを搭載するために、多軸の角速度線センサが必要とされているのである。
【００２２】
そこで、以下に示す実施の形態１では、例えば、多軸の角速度センサの一例として、ｙ方向回りの角速度とｚ方向回りの角速度とを検出する多軸の角速度センサを取り挙げて説明することにする。
【００２３】
＜実施の形態１における角速度センサの全体構成＞
まず、本実施の形態１における角速度センサの全体構成について、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態１における角速度センサＳ１の全体構成を示す断面図である。図２に示すように、本実施の形態１における角速度センサＳ１は、リードＬＤと同じ構成材料から形成されたチップ搭載部ＴＡＢ上に、接着材ＡＤＨ１を介して半導体チップＣＨＰ１が搭載されている。そして、この半導体チップＣＨＰ１上には、接着材ＡＤＨ２を介して、センサエレメントＳＥが搭載されている。
【００２４】
このとき、半導体チップＣＨＰ１には、例えば、ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）などに代表される半導体素子や多層配線からなる集積回路が形成されている。一方、センサエレメントＳＥには、半導体微細加工技術を使用することにより、例えば、多軸の角速度センサを構成する構造体が形成されている。つまり、本実施の形態１における角速度センサＳ１は、集積回路が形成された半導体チップＣＨＰ１と、多軸の角速度センサＳ１を構成する構造体が形成されたセンサエレメントＳＥを有し、半導体チップＣＨＰ１とセンサエレメントＳＥを電気的に接続することにより、多軸の角速度センサＳ１が構成されていることになる。
【００２５】
したがって、センサエレメントＳＥと半導体チップＣＨＰ１は、例えば、図２に示すように、金属線からなるワイヤＷ１で電気的に接続され、半導体チップＣＨＰ１とリードＬＤは、金属線からなるワイヤＷ２で電気的に接続されている。
【００２６】
これにより、センサエレメントＳＥに形成されている構造体において、励振素子が励振振動した状態で角速度が印加されると、角速度に起因したコリオリ素子の変位が生じるとともに、センサエレメントＳＥ内に設けられた角速度検出部で、このコリオリ素子の変位を電気容量の変化として捉えるようになっている。そして、センサエレメントＳＥ内の角速度検出部で検出された電気容量の変化は、センサエレメントＳＥとワイヤＷ１で電気的に接続されている半導体チップＣＨＰ１へ出力され、半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路で信号処理される。その後、半導体チップＣＨＰ１とワイヤＷ２で電気的に接続されているリードＬＤへ角速度信号が出力されるようになっている。
【００２７】
さらに、本実施の形態１における角速度センサＳ１では、センサエレメントＳＥ、半導体チップＣＨＰ１、ワイヤＷ１、ワイヤＷ２、および、リードＬＤの一部が、例えば、熱硬化性樹脂からなる樹脂ＭＲで封止されている。このように構成されている本実施の形態１における角速度センサＳ１は、例えば、横滑り防止システムや横転検知システムや配向制御システムに代表される上位のシステムに組み込まれ、検出した角速度信号を上位システムに供給するように構成されている。
【００２８】
＜実施の形態１における基本思想＞
次に、本実施の形態１における基本思想について説明する。図３は、本実施の形態１における角速度センサの模式的な構成を示す図である。図３に示すように、本実施の形態１における角速度センサは、振動素子ＳＥ１と、振動素子ＳＥ２と、振動素子ＳＥ３と、振動素子ＳＥ４とを有している。ここで、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２とは、連結梁ＬＢ１で接続されており、振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３とは、連結梁ＬＢ２で接続されている。また、振動素子ＳＥ３と振動素子ＳＥ４とは、連結梁ＬＢ３で接続されている。なお、本明細書で「連結梁」とは、振動素子同士を接続する梁のことをいう。
【００２９】
そして、振動素子ＳＥ１と、振動素子ＳＥ２と、振動素子ＳＥ３と、振動素子ＳＥ４は、ｘ方向に並んで配置されている。言い換えれば、振動素子ＳＥ１と、振動素子ＳＥ２と、振動素子ＳＥ３と、振動素子ＳＥ４は、ｘ方向に沿って、一直線状に配置されている。ここで、「一直線状」とは、例えば、図３において、振動素子ＳＥ１から振動素子ＳＥ４のそれぞれの中心位置のｙ座標とｚ座標がほぼ一致していることを意味している。
【００３０】
振動素子ＳＥ１は、励振素子ＤＥ１とコリオリ素子ＣＥ１とを有する。励振素子ＤＥ１は、ｘ方向に励振振動可能なように構成され、かつ、コリオリ素子ＣＥ１は、ｘ方向と直交するｚ方向回りの角速度が印加された場合に、コリオリ力によって、ｘ方向およびｚ方向に直交するｙ方向に変位するように構成されている。
【００３１】
また、振動素子ＳＥ２は、励振素子ＤＥ２とコリオリ素子ＣＥ２とを有し、励振素子ＤＥ２は、ｘ方向に励振振動可能なように構成され、かつ、コリオリ素子ＣＥ２は、ｙ方向回りの角速度が印加された場合に、コリオリ力によって、ｚ方向に変位するように構成されている。
【００３２】
同様に、振動素子ＳＥ３は、励振素子ＤＥ３とコリオリ素子ＣＥ３とを有し、励振素子ＤＥ３は、ｘ方向に励振振動可能なように構成され、かつ、コリオリ素子ＣＥ３は、ｙ方向回りの角速度が印加された場合に、コリオリ力によって、ｚ方向に変位するように構成されている。
【００３３】
さらに、振動素子ＳＥ４は、励振素子ＤＥ４とコリオリ素子ＣＥ４とを有し、励振素子ＤＥ４は、ｘ方向に励振振動可能なように構成され、かつ、コリオリ素子ＣＥ４は、ｚ方向回りの角速度が印加された場合に、コリオリ力によって、ｙ方向に変位するように構成されている。
【００３４】
このように、本実施の形態１における角速度センサにおいて、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３と励振素子ＤＥ４は、同一のｘ方向に励振振動する。このとき、４つの励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３と励振素子ＤＥ４からなる励振振動の振動モードは、複数存在する。具体的には、以下に示すように、本実施の形態１における角速度センサにおいて、励振振動の振動モードは、６つ存在することになる。
【００３５】
図４は、本実施の形態１における角速度センサに存在する励振振動の振動モードの相対位相を模式的に示す表である。図４において、振動モードの相対位相は、模式的に矢印で示されている。
【００３６】
図４において、まず、「１」に示す振動モードは、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ２が同位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ３と励振素子ＤＥ４が同位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ４が逆位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３が逆位相で振動している振動モードである。
【００３７】
次に、「２」に示す振動モードは、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ３が同位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ４が同位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ４が逆位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３が逆位相で振動している振動モードである。
【００３８】
続いて、「３」に示す振動モードは、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ４が同位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３が同位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ２が逆位相で振動し、かつ、励振素子ＤＥ３と励振素子ＤＥ４が逆位相で振動している振動モードである。
【００３９】
さらに、「４」に示す振動モードは、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ３と励振素子ＤＥ４が同位相で振動し、かつ、これらの励振素子と励振素子ＤＥ２が逆位相で振動している振動モードである。
【００４０】
また、「５」に示す振動モードは、励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３と励振素子ＤＥ４が同位相で振動し、かつ、これらの励振素子と励振素子ＤＥ１が逆位相で振動している振動モードである。
【００４１】
「６」に示す振動モードは、４つのすべての励振素子が同位相で振動している振動モードである。
【００４２】
ここで、本実施の形態１における角速度センサでは、上述した「１」に示す振動モードと、「２」に示す振動モードに着目する。なぜなら、「１」に示す振動モードおよび「２」に示す振動モードでは、ｚ方向回りの角速度を検出する２つの振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ４とのそれぞれに対応した励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ４が逆位相で振動して音叉構造を構成するからである。同様に、「１」に示す振動モードおよび「２」に示す振動モードでは、ｙ方向回りの角速度を検出する２つの振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３とのそれぞれに対応した励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３も逆位相で振動して音叉構造を構成するからである。つまり、この音叉構造によれば、コモンリジェクションとして呼ばれる電気的な同相モードノイズのキャンセルや外部からの外乱振動のキャンセルなどを実現することができる利点が得られる。例えば、加速度に起因するような同相モードノイズが発生しても、音叉構造の場合、コリオリ素子ＣＥ１の変位とコリオリ素子ＣＥ４の変位の差分を取るため、相殺することができ、検出精度を向上させることができる。
【００４３】
このことから、本実施の形態１における角速度センサでは、検出精度の向上を図ることができる音叉構造を構成する「１」に示す振動モードおよび「２」に示す振動モードに着目しているのである。
【００４４】
そこで、本発明者は、上述した「１」に示す振動モードおよび「２」に示す振動モードに着目して、本実施の形態１における角速度センサについて詳細に解析したので、以下では、この解析結果について説明する。
【００４５】
図５は、本実施の形態１における角速度センサの解析の前提となる模式的な構成を示す図である。本実施の形態１における角速度センサでは、図４の「１」に示す振動モードおよび「２」に示す振動モードに着目しており、これらの振動モードは、図４に示すように、対称振動であることから、図５では、対称軸を設定している。
【００４６】
図５に示すように、本実施の形態１における角速度センサにおいては、一直線状に振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３と振動素子ＳＥ４が配置されているが、対称軸に対する対称性を考慮して、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ４のそれぞれの質量を「ｍａ」とし、振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３のそれぞれの質量を「ｍｂ」としている。なお、「ｍａ」と「ｍｂ」とは、等しくてもよいが、本実施の形態１では、解析の一般性を高めるために、「ｍａ」と「ｍｂ」とが異なる場合も含む前提で解析を実施する。
【００４７】
また、対称性を考慮して、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２とを接続する連結梁ＬＢ１のバネ定数を「ｋａｂ」とし、振動素子ＳＥ３と振動素子ＳＥ４とを接続する連結梁ＬＢ３のバネ定数も「ｋａｂ」としている。さらに、対称性を考慮して、振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３とを接続する連結梁ＬＢ２のバネ定数は、対称軸を挟んで、それぞれ、「ｋｂｃ」としている。なお、図５では、連結梁ＬＢ１のバネ定数と連結梁ＬＢ３のバネ定数が同一に設定される一方、連結梁ＬＢ２のバネ定数が相違するように設定されているが、連結梁ＬＢ１のバネ定数と連結梁ＬＢ２のバネ定数と連結梁ＬＢ３のバネ定数が同一であってもよい。すなわち、図５において、「ｋａｂ」＝「２ｋｂｃ」としてもよいが、解析の一般性を高めるために「ｋａｂ」と「ｋｂｃ」とが異なる場合も含む前提で解析を実施する。
【００４８】
次に、図５において、振動素子ＳＥ１は、例えば、支持基板に固定された固定部と支持梁ＳＢ１で接続され、かつ、振動素子ＳＥ２は、例えば、支持基板に固定された固定部と支持梁ＳＢ２で接続されている。同様に、振動素子ＳＥ３は、例えば、支持基板に固定された固定部と支持梁ＳＢ３で接続され、かつ、振動素子ＳＥ４は、例えば、支持基板に固定された固定部と支持梁ＳＢ４で接続されている。ここでも、対称性を考慮して、支持梁ＳＢ１のバネ定数と、支持梁ＳＢ４のバネ定数とは、ともに「ｋａａ＋ｋｏａ」に設定され、かつ、支持梁ＳＢ２のバネ定数と、支持梁ＳＢ３のバネ定数とは、ともに「ｋｂｂ」に設定されている。なお、本明細書で「支持梁」とは、振動素子と固定部（広義には、支持基板に固定された部位）とを接続する梁のことをいう。
【００４９】
以上の図５に示す前提条件のもと、振動素子ＳＥ１の変位を「Ｘａ」とし、振動素子ＳＥ２の変位を「Ｘｂ」とすると、「Ｘａ」および「Ｘｂ」は、数式１に示す連立強制振動方程式で表すことができる。
【００５０】
【数１】
2015219130.tif 000003
【００５１】
ここで、「ｃａ」は、振動素子ＳＥ１の減衰係数であり、「ｃｂ」は、振動素子ＳＥ２の減衰係数である。また、「Ｆａ」は、振動素子ＳＥ１を駆動する外力であり、「Ｆｂ」は、振動素子ＳＥ２を駆動する外力である。さらに、「ωｄ」は、駆動角周波数（駆動角振動数）である。なお、本明細書では、駆動角周波数を駆動周波数と呼ぶことがある。つまり、駆動角周波数＝２π×駆動周波数の関係で互いに変換可能であることから、本明細書では、駆動角周波数と駆動周波数とを同一視することがある。
【００５２】
まず、最初に、本実施の形態１における角速度センサの共振周波数ωＲ（この場合も共振角周波数と同一視する）を求める。数式１から外力を除去し、かつ、数式２で示される関係式を使用して、数式１の係数を整理すると、数式３の関係が導き出される。
【００５３】
【数２】
2015219130.tif 000004
【００５４】
【数３】
2015219130.tif 000005
【００５５】
ここで、「Ａａ」は、振動素子ＳＥ１の振幅であり、「Ａｂ」は、振動素子ＳＥ２の振幅である。また、「ωａ２」、「ωｂ２」および「ωａｂ２」は、数式４で示される。
【００５６】
【数４】
2015219130.tif 000006
【００５７】
このとき、数式３が意味のある解を有するためには、数式３の行列式＝０の場合であることから、数式５で示される関係式が成立する。
【００５８】
【数５】
2015219130.tif 000007
【００５９】
ここで、数式５において、「ｃａ／ｍａ」＜＜ωＲ、「ｃｂ／ｍｂ」＜＜ωＲであるから、数式５にこの近似を適用して微小項を無視すると、数式５は、「ωＲ２」の２次方程式となり、「ωＲ２」は、数式６で示されることになる。
【００６０】
【数６】
2015219130.tif 000008
【００６１】
上述した数式６を数式３に代入すると、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２との振幅比「γ」は、数式７で表すことができる。
【００６２】
【数７】
2015219130.tif 000009
【００６３】
ここで、「γ」の符号から、数式６および数式７の「＋」は、図４の「２」に示す振動モードに対応し、数式６および数式７の「−」は、図４の「１」に示す振動モードに対応することがわかる。なお、数式７は、自由振動の場合の振幅比「γ」であり、実際の角速度センサにおいて、振幅比「γ」は、「ｃａ」および「ｃｂ」を考慮した強制振動方程式を解いて求める必要がある。
【００６４】
そこで、まず、数式１を整理すると、強制振動方程式は、数式８に示すようになる。
【００６５】
【数８】
2015219130.tif 000010
【００６６】
ここで、「ωｄ」＝「ωＲ」として、数式６を数式８に代入して係数を整理すると、数式９に示すようになる。
【００６７】
【数９】
2015219130.tif 000011
【００６８】
この数式９は、「Ｘａ」と「Ｘｂ」が互いに混じらない独立した強制振動方程式であるため、容易に解くことができる。この結果、「Ｘａ」と「Ｘｂ」は、数式１０で表される。
【００６９】
【数１０】
2015219130.tif 000012
【００７０】
数式１０から「Ａａ」と「Ａｂ」は、数式１１で表される。
【００７１】
【数１１】
2015219130.tif 000013
【００７２】
＜実施の形態１における特徴＞
以上の解析結果に基づいて、以下に、本実施の形態１における角速度センサの特徴について説明する。まず、本実施の形態における第１特徴点は、例えば、図３に示すように、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３と振動素子ＳＥ４がｘ方向に並んで配置され、かつ、互いに隣り合う振動素子が連結梁で接続されている点にある。つまり、本実施の形態における第１特徴点は、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３と振動素子ＳＥ４が一直線状に配置され、かつ、互いに隣り合う振動素子が連結梁で接続されている点にある。詳細に言えば、振動素子ＳＥ１に含まれる励振素子ＤＥ１と、振動素子ＳＥ２に含まれる励振素子ＤＥ２と、振動素子ＳＥ３に含まれる励振素子ＤＥ３と、振動素子ＳＥ４に含まれる励振素子ＤＥ４とが、ｘ方向に並んで配置されている。そして、互いに隣り合う励振素子が連結梁で接続されて、全部の励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４がｘ方向に励振振動している。これにより、本実施の形態１における角速度センサによれば、全部の励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４が正確にｘ方向に励振振動するため、ｘ方向の励振振動に、ｙ方向の振動成分やｚ方向の振動成分が加わりにくい。すなわち、本実施の形態１における角速度センサによれば、ｘ方向の励振振動に、ｙ方向の振動ノイズやｚ方向の振動ノイズが加わる可能性を低減できる。この結果、本実施の形態１における角速度センサによれば、正確なｘ方向の励振振動によって、振動素子ＳＥ１および振動素子ＳＥ４に基づくｚ方向回りの角速度の検出精度を向上できるとともに、振動素子ＳＥ２および振動素子ＳＥ３に基づくｙ方向回りの角速度の検出精度を向上できる。つまり、本実施の形態１によれば、第１特徴点によって、多軸の角速度センサの検出精度を向上することができる。
【００７３】
例えば、特許文献１に記載された２軸角速度センサでは、４個の振動素子が十字状に配置されており、中心での振動の結合が２次元となることから、例えば、左右方向に振動する振動素子に、上下方向の振動に起因するノイズ成分が加わるおそれがある。すなわち、特許文献１に記載された２軸角速度センサでは、互いに異なる軸回りの角速度を検出するための振動素子が別方向に振動している結果、一方の振動素子の振動状態が、他方の振動素子の振動状態からの影響をノイズとして受けやすくなるおそれがある。
【００７４】
これに対し、本実施の形態１における角速度センサによれば、例えば、図３に示すように、全部の励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４が同じｘ方向に励振振動しているため、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のうちの一部の励振素子の振動状態が他の励振素子の振動状態の影響を受けることによって、ｙ方向の振動ノイズやｚ方向の振動ノイズが加わることはほとんどないと考えることができる。このことから、本実施の形態１における多軸の角速度センサは、例えば、特許文献１に記載された２軸角速度センサよりも、励振振動に他方向の振動ノイズが加わりにくく、励振振動の安定性を確保することができる。したがって、本実施の形態１における角速度センサによれば、互いに異なる軸回りの角速度を検出可能としながら、それぞれの角速度の検出精度を向上することができる。
【００７５】
続いて、本実施の形態１における第２特徴点は、例えば、図４において、「１」に示す振動モードおよび「２」に示す振動モードで、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４を励振振動させる点にある。これにより、例えば、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ４は、逆相振動する結果、ｚ方向回りの角速度を検出する振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ４は、音叉構造を構成することになる。つまり、本実施の形態１における第２特徴点によって、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ４が音叉構造を構成するため、音叉構造によるｚ方向回りの角速度の検出精度を向上することができる。同様に、例えば、励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３も、逆相振動する結果、ｙ方向回りの角速度を検出する振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３も、音叉構造を構成することになる。したがって、本実施の形態１における第２特徴点によって、振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３も音叉構造を構成するため、音叉構造によるｙ方向回りの角速度の検出精度を向上することができる。
【００７６】
このように、本実施の形態１における角速度センサによれば、上述した第１特徴点と第２特徴点との相乗効果によって、ｚ方向回りの角速度の検出精度の向上と、ｙ方向回りの角速度の検出精度の向上とを図ることができる。
【００７７】
次に、本実施の形態１における第３特徴点は、角速度センサを構成する振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４が同一の共振周波数（固有共振周波数）を有している点にある。具体的には、上述した数式６で与えられる「ωＲ」が振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４に共通する共振周波数となる。すなわち、数式６は、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４が同一の共振周波数を有していることを表している。このことは、本実施の形態１では、多軸の角速度センサを構成している振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４が同一の共振周波数を有していることを意味する。つまり、本実施の形態１では、上述した解析結果からわかるように、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４がｘ方向に並んで配置され、かつ、互いに隣り合う振動素子が連結梁で接続されているという第１特徴点を有する結果、多軸の角速度センサを構成している振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４が同一の共振周波数を有するという第３特徴点が実現されるのである。これにより、本実施の形態１における第３特徴点によれば、以下に示す効果を得ることができる。
【００７８】
例えば、多軸の角速度センサを構成する手段として、１軸角速度センサを２個使用することが考えられる。ところが、この場合、２個の１軸角速度センサは、別体として構成されているため、２個の１軸角速度センサのそれぞれに含まれる振動素子の共振周波数は、一致しないと考えられる。したがって、２個の１軸角速度センサは、異なる周波数で駆動制御および検出制御する必要がある。このことは、１軸角速度センサを２個使用した多軸の角速度センサでは、２個の制御回路が必要になることを意味している。この結果、１軸角速度センサを２個使用した多軸の角速度センサでは、コストが増加するとともに、消費電力も増加することになる。
【００７９】
一方、本実施の形態１では、多軸の角速度センサを構成している振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４が同一の共振周波数を有している。このことは、１個の制御回路で多軸の角速度センサを駆動制御および検出制御することができることを意味している。この結果、本実施の形態１によれば、第３特徴点によって、多軸の角速度センサでありながら、制御回路の構成を簡素化することができ、これによって、コストの削減および消費電力の低減を図ることができる。つまり、本実施の形態１における第３特徴点によれば、コストを削減しながらも、高性能な多軸の角速度センサを提供することができる。
【００８０】
続いて、本実施の形態１における第４特徴点は、ｚ方向回りの角速度の検出感度と、ｙ方向回りの角速度の検出感度とを、別々に調整できる点にある。具体的には、上述した数式１１から、振動素子ＳＥ１の励振振動の振幅「Ａａ」は、外力「Ｆａ」に比例する。このとき、外力「Ｆａ」は、静電気力（クーロン力）によって発生させることが一般的であり、この静電気力を調整することにより、振動素子ＳＥ１の励振振動の振幅「Ａａ」を調整することができる。同様に、上述した数式１１から、振動素子ＳＥ２の励振振動の振幅「Ａｂ」は、外力「Ｆｂ」に比例する。このとき、外力「Ｆｂ」は、静電気力（クーロン力）によって発生させることが一般的であり、この静電気力を調整することにより、振動素子ＳＥ１の励振振動の振幅「Ａｂ」を調整することができる。
【００８１】
そして、外力「Ｆａ」と外力「Ｆｂ」とは別個に調整できることから、振動素子ＳＥ１の励振振動の振幅「Ａａ」と振動素子ＳＥ２の励振振動の振幅「Ａｂ」も別個に調整することができる。例えば、本実施の形態１における角速度センサによれば、励振素子ＤＥ１と励振素子ＤＥ４を、同一の第１振幅で励振振動させ、かつ、励振素子ＤＥ２と励振素子ＤＥ３を、同一の第２振幅で励振振動させ、第１振幅と第２振幅が異なるようにすることも可能である。
【００８２】
ここで、角速度の検出感度は、励振振動の振幅に比例することから、振動素子ＳＥ１の励振振動の振幅「Ａａ」と振動素子ＳＥ２の励振振動の振幅「Ａｂ」を別個に調整することができるということは、感度を別個に調整できることを意味する。したがって、本実施の形態１によれば、ｚ方向回りの角速度の検出感度と、ｙ方向回りの角速度の検出感度とを、別々に調整できることになる。この結果、例えば、ｚ方向回りの角速度の検出感度と、ｙ方向回りの角速度の検出感度とを、それぞれの用途に合わせて最適化することができる。すなわち、本実施の形態１における角速度センサによれば、ｚ方向回りの角速度の検出感度と、ｙ方向回りの角速度の検出感度との設定自由度が大きく、本実施の形態１における角速度センサを様々な感度が要求される色々なシステムに容易に組み込むことができる。
【００８３】
＜基本思想を具現化した角速度センサの構成＞
次に、本実施の形態１における基本思想を具現化した角速度センサの構成例について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施の形態１における角速度センサを構成するセンサエレメントＳＥの模式的な構成を示す平面図である。図６に示すように、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥは、ｘ方向に沿って並ぶように配置された振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４を有している。そして、図６に示すように、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２は、連結梁ＬＢ１で接続され、かつ、振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３は、連結梁ＬＢ２ａと連結梁ＬＢ２ｂで接続されている。また、振動素子ＳＥ３と振動素子ＳＥ４は、連結梁ＬＢ３で接続されている。
【００８４】
例えば、図６に示すように、連結梁ＬＢ１や連結梁ＬＢ２ａや連結梁ＬＢ２ｂや連結梁ＬＢ３は、ｙ方向に硬く、かつ、ｘ方向に軟らかい構成をしていることから、ｙ方向に動きにくく、ｘ方向に動きやすい構成となっている。これにより、連結梁ＬＢ１〜ＬＢ３によって接続された振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４は、ｘ方向に励振振動することが可能となる。
【００８５】
ここで、図６に示すセンサエレメントＳＥは、対称性を有している。具体的に、ｘ方向に並んで配置されている振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４の全体に対するｘ方向の中心位置を通る直線であって、ｙ方向に延在する直線を第１中心線ＣＬ１とする場合、振動素子ＳＥ１の構造と振動素子ＳＥ４の構造は、第１中心線ＣＬ１に対して、鏡像対称性を有する。同様に、振動素子ＳＥ２の構造と振動素子ＳＥ３の構造は、第１中心線ＣＬ１に対して、鏡像対称性を有する。これにより、鏡像対称性を有する振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ４とによって音叉構造が構成され、かつ、鏡像対称性を有する振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３とによって音叉構造が構成される。この結果、図４に示す「１」の振動モードと「２」の振動モードが実現されることになる。
【００８６】
続いて、振動素子ＳＥ１に着目すると、振動素子ＳＥ１は、励振素子ＤＥ１とコリオリ素子ＣＥ１とを含み、コリオリ素子ＣＥ１は、励振素子ＤＥ１に内包されるように配置されている。このとき、励振素子ＤＥ１は、ｘ方向に励振振動可能なように構成される一方、コリオリ素子ＣＥ１は、ｚ方向回りの角速度が印加された場合、コリオリ力によって、ｙ方向に変位するように構成されている。また、励振素子ＤＥ１には、駆動部ＤＵ１とモニタ部ＭＵ１とが設けられている。駆動部ＤＵ１は、励振素子ＤＥ１を励振振動させるためのクーロン力を発生させる機能を有し、例えば、図６に示すように、櫛歯状電極構造から構成される。また、モニタ部ＭＵ１は、励振素子ＤＥ１の励振振動の振幅をモニタする機能を有し、例えば、図６に示すように、励振振動の振幅を静電容量の変化として捉える櫛歯状電極から構成されている。
【００８７】
同様に、振動素子ＳＥ２に着目すると、振動素子ＳＥ２は、励振素子ＤＥ２とコリオリ素子ＣＥ２とを含み、コリオリ素子ＣＥ２は、励振素子ＤＥ２に内包されるように配置されている。このとき、励振素子ＤＥ２は、ｘ方向に励振振動可能なように構成される一方、コリオリ素子ＣＥ２は、ｙ方向回りの角速度が印加された場合、コリオリ力によって、ｚ方向に変位するように構成されている。また、励振素子ＤＥ２には、駆動部ＤＵ２とモニタ部ＭＵ２とが設けられている。駆動部ＤＵ２は、励振素子ＤＥ２を励振振動させるためのクーロン力を発生させる機能を有し、例えば、図６に示すように、櫛歯状電極構造から構成される。また、モニタ部ＭＵ２は、励振素子ＤＥ２の励振振動の振幅をモニタする機能を有し、例えば、図６に示すように、励振振動の振幅を静電容量の変化として捉える櫛歯状電極から構成されている。
【００８８】
また、振動素子ＳＥ３は、振動素子ＳＥ２と鏡像対称の関係にあり、励振素子ＤＥ３とコリオリ素子ＣＥ３とを含むとともに、励振素子ＤＥ３には、駆動部ＤＵ３とモニタ部ＭＵ３とが設けられている。
【００８９】
さらに、振動素子ＳＥ４は、振動素子ＳＥ１と鏡像対称の関係にあり、励振素子ＤＥ４とコリオリ素子ＣＥ４とを含むとともに、励振素子ＤＥ４には、駆動部ＤＵ４とモニタ部ＭＵ４とが設けられている。
【００９０】
＜角速度センサの動作＞
本実施の形態１における角速度センサは、上記のように構成されており、以下に、その動作について説明する。なお、ここでは、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２に着目して、本実施の形態１における角速度センサの動作について説明する。
【００９１】
図７は、本実施の形態１における角速度センサの動作を説明する図である。図７において、駆動部ＤＵ１は、励振素子ＤＥ１をｘ方向に振動させる駆動手段を構成する。そして、駆動部ＤＵ１を構成する一方の第１駆動電極には、図２に示す半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路から駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄが印加される。一方、駆動部ＤＵ１を構成する第２駆動電極には、図２に示す半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路から駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄが印加される。
【００９２】
また、励振素子ＤＥ１には、支持梁を介して接続されている固定部を介して、図２に示す半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路からＶｃｏｍが印加される。したがって、第１駆動電極と励振素子ＤＥ１との間の電位差は、Ｖｂ＋Ｖｄとなり、第２駆動電極と励振素子ＤＥ１との間の電位差は、Ｖｂ−Ｖｄとなる。この結果、駆動部ＤＵ１には、上述した電位差に起因する静電力が発生し、励振素子ＤＥ１がｘ方向に励振振動（駆動振動）することになる。
【００９３】
なお、励振素子ＤＥ１には、信号処理回路からキャリア信号Ｖｃも印加されているが、キャリア信号Ｖｃの周波数は、数百ｋＨｚであり、上述した駆動振動が追従できないほど充分に高いため、駆動力としては機能しない。
【００９４】
ここで、下記に示す数式１２は、励振素子ＤＥ１の駆動変位（ｘ）と駆動力（Ｆｄ）の関係を示す式であり、数式１３は、コリオリ力（Ｆｃｙ）を示す式である。また、数式１４は、検出方向（ｙ方向）の振幅とコリオリ力（Ｆｃｙ）の関係を示す式である。なお、ここでは、便宜上、ｚ方向回りの角速度（Ωｚ）によって、コリオリ素子ＣＥ１がｙ方向へ変位する場合を例にした添字を使用して説明するが、ｙ方向回りの角速度（Ωｙ）によって、コリオリ素子ＣＥ２がｚ方向へ変位する場合においても同じ原理を適用できる。
【００９５】
【数１２】
2015219130.tif 000014
【００９６】
このとき、ｘは駆動変位、ωｄ／２πは駆動周波数、ωＲは励振方向の固有振動数（共振周波数）、Ｑｄは励振方向の機械品質係数、ｋｄは支持梁のバネ定数、Ｆｄは駆動力を示している。
【００９７】
【数１３】
2015219130.tif 000015
【００９８】
このとき、ＦｃｙはΩｚによって発生するｙ方向のコリオリ力、ｍｙはコリオリ素子ＣＥ１の質量、Ωｚはｚ方向回りに印加される角速度、Ｘは励振方向の最大振幅、ωｄ／２πは駆動周波数、ｔは時間を示している。
【００９９】
【数１４】
2015219130.tif 000016
【０１００】
このとき、ｙは検出変位、Ｑｓｙはコリオリ素子ＣＥ１と検出梁で構成される検出振動系の機械品質係数、ｋｓは検出梁のバネ定数を示している。なお、検出梁とは、励振素子ＤＥ１とコリオリ素子ＣＥ１とを接続する梁のことである。
【０１０１】
上述した数式１２からは、励振素子ＤＥ１と支持梁で構成される振動系において駆動力Ｆｄが一定である場合、駆動変位ｘは、駆動周波数ωｄ（２πで割れば周波数となるため、駆動角振動数と駆動周波数を混用する）に依存することがわかる。そして、数式１２から、振動系の固有振動数（共振周波数）ωＲと駆動周波数ωｄが一致する場合、最も大きい駆動変位ｘが得られることになり、駆動周波数ωｄが固有振動数ωＲから離れるほど駆動変位ｘが小さくなることがわかる。
【０１０２】
また、数式１３と数式１４に示すコリオリ力Ｆｃｙと検出変位ｙの関係式からは、印加される角速度Ωｚによって得られるコリオリ力Ｆｃｙと検出変位ｙは、励振方向の最大振幅Ｘ（駆動変位ｘ）と比例関係にあることがわかる。
【０１０３】
ここで、数式１３において、コリオリ素子ＣＥ１の質量ｍｙと、駆動周波数ωｄ、印加される角速度Ωｚを一定であると仮定すると、角速度センサの出力として変換されるコリオリ力Ｆｃｙと検出変位ｙは、励振方向の最大振幅Ｘ（駆動変位ｘ）のみの関数となる。
【０１０４】
したがって、周辺圧力の変動や振動外乱がある場合でも、角速度センサの感度を一定に維持して信頼性を確保するためには、励振方向の最大振幅Ｘを常にモニタし、フィードバック制御を行なうことにより、励振方向の最大振幅Ｘが一定値になるよう管理する必要がある。このフィードバック制御は、ＡＧＣ（Auto Gain Control）によって実施される。
【０１０５】
以下に、上述したＡＧＣによるフィードバック制御について説明する。本実施の形態１において、図７に示すように、励振素子ＤＥ１の励振振動の振幅は、モニタ部ＭＵ１を構成する一方の櫛歯状電極（第１容量素子）の静電容量の変化を検出することでモニタされている。同様に、励振素子ＤＥ１の励振振動の振幅は、モニタ部ＭＵ１を構成する他方の櫛歯状電極（第２容量素子）の静電容量の変化を検出することでモニタされている。
【０１０６】
具体的には、励振素子ＤＥ１に、周波数が数百ｋＨｚのキャリア信号Ｖｃを印加する。この場合、キャリア信号Ｖｃによって、モニタ部ＭＵ１を構成する第１容量素子の静電容量や第２容量素子の静電容量に変化が生じ、この静電容量の変化に応じて電荷の移動が発生する。この静電容量の変化は、図７に示すＣ／Ｖ変換部１０でアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部１１でデジタル電圧信号に変換される。そして、第１容量素子からＣ／Ｖ変換部１０およびＡＤ変換部１１を経て生成された第１デジタル電圧信号と、第２容量素子からＣ／Ｖ変換部１０およびＡＤ変換部１１を経て生成された第２デジタル電圧信号とが、差動検出部１２で演算される。このとき、駆動振幅が０の場合は、第１容量素子と第２容量素子の初期の静電容量が互いに相殺されるため、同期検波部１３への入力電圧は０となる。
【０１０７】
一方、励振素子ＤＥ１が励振振動している場合は、励振素子ＤＥ１の励振振動の振幅に追従して第１容量素子の静電容量が増加し、第２容量素子の静電容量が減少する。あるいは、励振素子ＤＥ１の励振振動の振幅に追従して第１容量素子の静電容量が減少し、第２容量素子の静電容量が増加する。このことから、差動検出部１２からは、励振振動の振幅に比例したデジタル信号が出力される。
【０１０８】
差動検出部１２から出力されたデジタル信号は、同期検波部１３で駆動周波数の成分（例えば、数十ｋＨｚ）と、必要に応じてＤＣを含む低周波数の成分（例えば、ＤＣから数百Ｈｚ）に変換される。低周波数のデジタル信号に変換された励振振動の振幅は、ＡＧＣ（Auto Gain Control）１５に入力され、予め設定されている振幅の目標値と比較される。そして、この比較結果に基づいて、ＤＡ変換部１６で駆動信号Ｖｄの大きさを調整することにより、励振振動の振幅が予め設定されている目標値になるようにフィードバック制御されることになる。以上のようにして、本実施の形態１における角速度センサでは、励振素子ＤＥ１を一定振幅でｘ方向に励振振動させることができる。
【０１０９】
なお、限定するわけではないが、本実施の形態１における角速度センサでは、小さい駆動電圧で大きなｘ方向の振幅を得るために駆動信号Ｖｄの周波数（駆動周波数）を、励振素子ＤＥ１と支持梁によって構成される駆動振動系の固有振動数（共振周波数）に合わせている。また、本実施の形態１では、周辺環境の変動に起因する駆動振動系の固有振動数（共振周波数）の変化に駆動振動数を追従させるため、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）によるＡＦＣ（Auto Frequency Control）１４およびＤＡ変換部１６を用いてフィードバック制御を行なっている。ただし、本実施の形態１における技術的思想は、駆動周波数ωｄと駆動振動系の固有振動数ωＲを一致させない非共振モードでの駆動においても適用できることは言うまでもない。
【０１１０】
続いて、励振素子ＤＥ１をｘ方向に励振振動させた状態で、ｚ方向回りに角速度が印加された場合の角速度の検出動作について説明する。
【０１１１】
まず、励振素子ＤＥ１が励振振動している状態で、ｚ方向回りに角速度Ωｚが印加されると、励振素子ＤＥ１には、数式１３で示されるコリオリ力Ｆｃｙが発生し、印加された角速度Ωｚに比例するｙ方向の振動が発生する。
【０１１２】
ここで、励振素子ＤＥ１は、ｘ方向には柔軟で、ｙ方向には硬い支持梁で支持されているため、上述したコリオリ力Ｆｃｙが発生しても、励振素子ＤＥ１は、ｙ方向にほとんど変位しない。同様に、コリオリ素子ＣＥ２も、ｙ方向にはほとんど変位しない。一方、コリオリ素子ＣＥ１は、ｘ方向には硬く、ｙ方向には柔軟な検出梁を介して励振素子ＤＥ１に接続されているため、数式１４に示すような関係で、コリオリ力Ｆｃｙに基づきｙ方向に変位する。
【０１１３】
図７に示すように、コリオリ素子ＣＥ１がｙ方向に変位すると、コリオリ素子ＣＥ１と接続されるように設けられた容量素子の静電容量が変化する。この容量素子の静電容量の変化は、Ｃ／Ｖ変換部２０Ａでアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部２１Ａでデジタル電圧信号に変換される。その後、差動検出部２２Ａで演算された後、同期検波部２３Ａで復調信号が抽出される。
【０１１４】
そして、同期検波部２３Ａで復調された復調信号は、ＬＰＦ（低周波数帯域通過フィルタ）２４Ａを通過することにより、最終的に、角速度Ωｚに対応した角速度信号が出力端子ＯＵＴ１から出力されることになる。以上のようにして、本実施の形態１における角速度センサによれば、ｚ方向回りの角速度Ωｚを検出することができる。実際には、本実施の形態１における角速度センサでは、振動素子ＳＥ１だけでなく、振動素子ＳＥ１とは逆相振動している振動素子ＳＥ４においても、同様の動作が実施される。そして、音叉構造をした振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ４とのそれぞれの出力信号の差分が角速度Ωｚに対応した角速度信号として、本実施の形態１における角速度センサから出力される。
【０１１５】
次に、振動素子ＳＥ２に含まれる励振素子ＤＥ２も、励振素子ＤＥ１と同様にして、ｘ方向に励振振動させることができる。以下では、励振素子ＤＥ２をｘ方向に励振振動させた状態で、ｙ方向回りに角速度が印加された場合の角速度の検出動作について説明する。
【０１１６】
まず、励振素子ＤＥ２が励振振動している状態で、ｙ方向回りに角速度Ωｙが印加されると、励振素子ＤＥ２には、数式１３と同等の式で示されるコリオリ力Ｆｃｚが発生し、印加された角速度Ωｙに比例するｚ方向の振動が発生する。
【０１１７】
ここで、励振素子ＤＥ２およびコリオリ素子ＣＥ１は、上述したコリオリ力Ｆｃｚが発生しても、ｚ方向にほとんど変位しない。一方、コリオリ素子ＣＥ２は、ｚ方向にねじれる検出梁を介して励振素子ＤＥ２に接続されているため、コリオリ力Ｆｃｚに基づきｚ方向に変位する。
【０１１８】
図７に示すように、コリオリ素子ＣＥ２がｚ方向に変位すると、コリオリ素子ＣＥ２の外部に設けられた容量素子の静電容量が変化する。この容量素子の静電容量の変化は、Ｃ／Ｖ変換部２０Ｂでアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部２１Ｂでデジタル電圧信号に変換される。その後、差動検出部２２Ｂで演算された後、同期検波部２３Ｂで復調信号が抽出される。
【０１１９】
そして、同期検波部２３Ｂで復調された復調信号は、ＬＰＦ（低周波数帯域通過フィルタ）２４Ｂを通過することにより、最終的に、角速度Ωｙに対応した角速度信号が出力端子ＯＵＴ２から出力されることになる。以上のようにして、本実施の形態１における角速度センサによれば、ｙ方向回りの角速度Ωｙを検出することができる。実際には、本実施の形態１における角速度センサでは、振動素子ＳＥ２だけでなく、振動素子ＳＥ２とは逆相振動している振動素子ＳＥ３においても、同様の動作が実施される。そして、音叉構造をした振動素子ＳＥ２と振動素子ＳＥ３とのそれぞれの出力信号の差分が角速度Ωｙに対応した角速度信号として、本実施の形態１における角速度センサから出力される。以上のことから、本実施の形態１における角速度センサは、異なる軸回りの角速度を検出できる多軸の角速度センサを構成していることがわかる。
【０１２０】
図８は、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４を同一の制御回路（図７参照）でｘ方向に励振振動させる結線例を示す図である。図８における結線例では、図４に示す「２」の振動モードが実現される。一方、図９は、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４を同一の制御回路（図７参照）でｘ方向に励振振動させる他の結線例を示す図である。図９における他の結線例では、図４に示す「１」の振動モードが実現される。このように、本実施の形態１における角速度センサによれば、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４が同一の共振周波数を有しているという第３特徴点により、例えば、図８や図９に示す結線構成によって、同一の制御回路（図７参照）を使用したＡＦＣ１４およびＡＧＣ１５によるフィードバック制御に基づいて、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４をｘ方向に励振振動させることができる。この結果、本実施の形態１によれば、多軸の角速度センサでありながら、制御回路の構成を簡素化することができ、これによって、コストの削減および消費電力の低減を図ることができる。
【０１２１】
なお、図８および図９において、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４の励振振動の振幅を同一に制御する場合には、数式１１に示すように、振幅がクーロン力に比例することから、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４のそれぞれの駆動部を構成する櫛歯状電極の数を同一にすることで実現することができる。この場合は、振動素子ＳＥ１および振動素子ＳＥ４によるｚ方向回りの角速度の検出感度と、振動素子ＳＥ２および振動素子ＳＥ３によるｙ方向回りの角速度の検出感度を等しくすることができる。
【０１２２】
一方、図８および図９において、振動素子ＳＥ１および振動素子ＳＥ４によるｚ方向回りの角速度の検出感度を、振動素子ＳＥ２および振動素子ＳＥ３によるｙ方向回りの角速度の検出感度よりも高くする必要がある場合もある。この場合、駆動部におけるクーロン力を大きくして振幅を大きくすれば感度が高くなることを考慮して、例えば、振動素子ＳＥ１および振動素子ＳＥ４の駆動部を構成する櫛歯状電極の数を、振動素子ＳＥ２および振動素子ＳＥ３の駆動部を構成する櫛歯状電極の数よりも多くすることで、ｚ方向回りの角速度の検出感度を、ｙ方向回りの角速度の検出感度よりも高くすることができる。
【０１２３】
同様に、図８および図９において、振動素子ＳＥ１および振動素子ＳＥ４によるｚ方向回りの角速度の検出感度よりも、振動素子ＳＥ２および振動素子ＳＥ３によるｙ方向回りの角速度の検出感度を高くする必要がある場合もある。この場合は、例えば、振動素子ＳＥ１および振動素子ＳＥ４の駆動部を構成する櫛歯状電極の数を、振動素子ＳＥ２および振動素子ＳＥ３の駆動部を構成する櫛歯状電極の数よりも少なくすることで、ｙ方向回りの角速度の検出感度を、ｚ方向回りの角速度の検出感度よりも高くすることができる。
【０１２４】
＜基本思想を具現化した角速度センサの構造に特有の効果＞
本実施の形態１における角速度センサは、本実施の形態１における基本思想を具現化した構造を有していることから、基本思想によってもたらされる第１特徴点〜第４特徴点を有している。したがって、本実施の形態１における角速度センサは、第１特徴点〜第４特徴点を有する基本思想と同様の効果を得ることができる。
【０１２５】
さらに、本実施の形態１における基本思想を具現化した角速度センサの構造には、第１特徴点〜第４特徴点以外の工夫点が施されており、この工夫点によって、本実施の形態１における角速度センサの構造に特有の効果を得ることができる。以下に、この効果について説明する。
【０１２６】
角速度センサにおいて、コリオリ力に基づく変位成分（振動成分）の強度は、現実的に考えると、角速度に由来したコリオリ力の強度にのみ依存するわけではない。例えば、温度変動や、角速度センサを構成する材料間の熱膨張係数の差に起因する支持基板の変形は、支持基板に固定されている固定部を移動させる。この結果、固定部の移動によって、固定部と接続されている支持梁に内部応力が発生する。支持梁の内部応力は、支持梁のバネ定数を変動させるため、バネ定数と慣性質量で決定される振動素子に固有の共振周波数も変動する。コリオリ力に基づく変位成分の強度は、振動素子の共振周波数に強く依存するため、結局、コリオリ力に基づく変位成分の強度は、支持基板の変形に強く依存することになる。言い換えれば、コリオリ力に基づく変位成分には、温度変動に起因するノイズ成分が重畳することになる。
【０１２７】
この点に関し、本実施の形態１における角速度センサでは、例えば、図６に示すように、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４のそれぞれに励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のそれぞれを設けている。この場合、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のそれぞれのサイズは、例えば、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４にわたって一体的に１個の励振素子を設ける場合の一体化した励振素子のサイズよりも小さくなる。このことは、本実施の形態１における角速度センサによれば、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のそれぞれと接続される支持梁の間隔が狭くなることを意味している。つまり、例えば、励振素子ＤＥ１に着目すると、励振素子ＤＥ１のサイズが小さくなるということは、励振素子ＤＥ１を懸架する支持梁間の間隔が小さくなることに対応する。そして、励振素子ＤＥ１を懸架する支持梁間の間隔が小さくなるということは、支持梁が支持基板の変形を受けにくくなることを意味する。したがって、本実施の形態１における角速度センサでは、例えば、温度変動によって、支持基板の変形が生じても、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のそれぞれを懸架する支持梁の内部応力の変動が生じにくく、これによって、支持梁の内部応力の変動に起因した振動素子の共振周波数の変動を抑制することができる。この結果、本実施の形態１における角速度センサによれば、コリオリ力に基づく変位成分に、温度変動に起因するノイズ成分が加わることを抑制できるため、外部環境の変動に影響を受けにくい角速度センサを提供することができる。すなわち、本実施の形態１における角速度センサでは、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４ごとに分割した励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４を設けて、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のサイズを小さくするという構造上の工夫点により、外部環境の変動に起因する支持基板の変形の影響を受けにくい角速度センサを提供できる。
【０１２８】
このように、本実施の形態１では、例えば、図６に示すように、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４ごとに分割した励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４を設ける工夫点を有している。そして、さらに、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のそれぞれのサイズの縮小化は、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のそれぞれには、コリオリ素子ＣＥ1〜ＣＥ４のそれぞれだけを配置するという工夫点、および、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４のそれぞれに設けられる駆動部ＤＵ１〜ＤＵ４やモニタ部ＭＵ１〜ＭＵ４を励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４の外側に設けるという工夫点によって推進される。
【０１２９】
以上のことから、本実施の形態１における角速度センサでは、基本思想による第１特徴点〜第４特徴点以外に、外部環境の変動に起因する支持基板の変形の影響を受けにくくする観点からの工夫が施されており、本実施の形態１における角速度センサによれば、様々な観点からの性能向上を実現することができる。
【０１３０】
（実施の形態２）
＜実施の形態２における基本思想＞
例えば、数式１に示すように、励振素子ＤＥ１〜ＤＥ４の励振振動は、駆動周波数「ωｄ」での振動であるが、この駆動周波数「ωｄ」を数式６で表される共振周波数「ωＲ」と一致させると、最も励振効率が高くなる。したがって、駆動周波数「ωｄ」を共振周波数「ωＲ」に一致させ、かつ、図４の「２」に示す振動モードで励振振動させることを考えると、駆動周波数「ωｄ」は、数式１５で表される。
【０１３１】
【数１５】
2015219130.tif 000017
【０１３２】
ここで、本実施の形態２では、共振周波数「ωＲ」に一致させた駆動周波数「ωｄ」を簡略化することを考える。すなわち、駆動周波数「ωｄ」は、数式１５で表されるが、この数式１５において、「ωａ」＝「ωｂ」となる場合、数式１５は簡略化される。ここで、「ωａ」＝「ωｂ」とすることは、対称性を高めることを意味する。つまり、本実施の形態２の基本思想は、前記実施の形態１に比べて、さらに対称性を高めることにより、共振周波数「ωＲ」に一致させた駆動周波数「ωｄ」を簡略化する思想である。これにより、本実施の形態２の基本思想を採用することにより、共振周波数「ωＲ」に一致させた駆動周波数「ωｄ」の設定を容易にすることができる。
【０１３３】
具体的に、「ωａ」＝「ωｂ」を実現するためには、例えば、数式１６に示す関係が成立していればよい。この数式１６に示す関係が成立している場合、駆動周波数「ωｄ」となる共振周波数「ωＲ」は、数式１７で表されるため、共振周波数「ωＲ」が簡略化されていることがわかる。
【０１３４】
【数１６】
2015219130.tif 000018
【０１３５】
【数１７】
2015219130.tif 000019
【０１３６】
なお、本実施の形態２では、駆動周波数「ωｄ」を共振周波数「ωＲ」に一致させ、かつ、図４の「２」に示す振動モードで励振振動させる場合を例に挙げて説明したが、例えば、駆動周波数「ωｄ」を共振周波数「ωＲ」に一致させ、かつ、図４の「１」に示す振動モードで励振振動させる場合にも、本実施の形態２における基本思想を適用することができる。具体的には、この場合も、「ωａ」＝「ωｂ」を実現することにより、駆動周波数「ωｄ」となる共振周波数「ωＲ」は、数式１８で表されることになる。
【０１３７】
【数１８】
2015219130.tif 000020
【０１３８】
＜基本思想を具現化した角速度センサの構成＞
以下では、上述した本実施の形態２における基本思想を具現化した角速度センサの構成について説明する。図１０は、本実施の形態２における角速度センサの構成を示す平面図である。図１０において、本実施の形態２における特徴点は、支持基板に固定された枠部ＦＵと励振素子ＤＥ１とを接続する周波数調整用梁ＡＤＢ１を設け、かつ、枠部ＦＵと励振素子ＤＥ４とを接続する周波数調整用梁ＡＤＢ２を設ける点にある。
【０１３９】
この周波数調整用梁ＡＤＢ１は、振動素子ＳＥ１と振動素子ＳＥ２との間の対称性を高める機能を有し、周波数調整用梁ＡＤＢ２は、振動素子ＳＥ３と振動素子ＳＥ４との間の対称性を高める機能を有する。そして、周波数調整用梁ＡＤＢ１のバネ定数と、周波数調整用梁ＡＤＢ２のバネ定数を互いに同一に設定し、かつ、周波数調整用梁ＡＤＢ１のバネ定数と周波数調整用梁ＡＤＢ２のバネ定数とを、連結梁ＬＢ１のバネ定数（＝連結梁ＬＢ３のバネ定数）の２倍に設定し、かつ、数式１６を満たすように「ｋａａ」と「ｋｂｂ」を設定することにより、「ωａ」＝「ωｂ」が実現される。
【０１４０】
このように、本実施の形態２における角速度センサでは、周波数調整用梁ＡＤＢ１と周波数調整用梁ＡＤＢ２を設けることにより、角速度センサの対称性が高められ、これによって、本実施の形態２における基本思想が具現化される。そして、本実施の形態２によれば、周波数調整用梁ＡＤＢ１と周波数調整用梁ＡＤＢ２を設ける結果、共振周波数「ωＲ」を数式１７や数式１８に示すように簡略化することができるため、共振周波数「ωＲ」に一致させた駆動周波数「ωｄ」の設定を容易にすることができる。
【０１４１】
（実施の形態３）
前記実施の形態１における角速度センサでは、基本思想による第１特徴点〜第４特徴点以外に、外部環境の変動に起因する支持基板の変形の影響を受けにくくする観点からの工夫点についても説明したが、本実施の形態３では、支持基板の変形の影響を受けにくくする観点からのさらなる工夫点について説明する。
【０１４２】
＜振動素子ＳＥ１の構成＞
図１１は、本実施の形態３における振動素子ＳＥ１の構成を示す平面図である。図１１において、振動素子ＳＥ１は、励振素子ＤＥ１を含み、この励振素子ＤＥ１は質量部ＭＳを有している。具体的に、図１１に示すように、この質量部ＭＳは、ｘ方向に延在する第１部位Ｐ１と、第１部位Ｐ１と離間しながらｘ方向に延在する第２部位Ｐ２と、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを連結するようにｙ方向に延在する第３部位Ｐ３と、第３部位Ｐ３と接続され、かつ、ｘ方向に突出する第４部位Ｐ４とから構成されている。そして、第４部位Ｐ４は、ｙ方向の中心位置を通る第２中心線ＣＬ２であって、ｘ方向に延在する第２中心線ＣＬ２上に配置されている。
【０１４３】
なお、ここで、図６および図１１を用いて、振動素子ＳＥ１〜ＳＥ４の間の連結関係の詳細について説明する。図６および図１１からわかるように、連結梁ＬＢ１は、励振素子ＤＥ１の第４部位Ｐ４と、励振素子ＤＥ２の第４部位Ｐ４との間に接続され、かつ、連結梁ＬＢ３は、励振素子ＤＥ３の第４部位Ｐ４と、励振素子ＤＥ４の第４部位Ｐ４との間に接続される。また、連結梁ＬＢ２は、励振素子ＤＥ２の第１部位Ｐ１と励振素子ＤＥ３の第１部位Ｐ１との間に接続される部分連結梁ＬＢ２ａと、励振素子ＤＥ２の第２部位Ｐ２と励振素子ＤＥ３の第２部位Ｐ２との間に接続される部分連結梁ＬＢ２ｂとから構成されている。
【０１４４】
続いて、概念的に説明すると、第１部位Ｐ１は、第１支持梁を介して、支持基板に固定された第１固定部と接続され、かつ、第２部位Ｐ２は、第２支持梁を介して、支持基板に固定された第２固定部と接続され、かつ、第４部位Ｐ４は、第３支持梁を介して、支持基板に固定された第３固定部と接続される。
【０１４５】
具体的には、図１１に示すように、第１固定部は、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）とを含み、かつ、第２固定部は、第２外側固定部（ＯＦＵ２Ａ、ＯＦＵ２Ｂ）と第２内側固定部（ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂ）とを含み、かつ、第３固定部は、第３外側固定部（ＯＦＵ３Ａ、ＯＦＵ３Ｂ）と第３内側固定部（ＩＦＵ３Ａ、ＩＦＵ３Ｂ）とを含む。
【０１４６】
また、第１支持梁は、第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａと第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂとを含み、第２支持梁は、第２外側支持梁ＳＢＭ２Ａと第２内側支持梁ＳＢＭ２Ｂとを含み、第３支持梁は、第３外側支持梁ＳＢＭ３Ａと第３内側支持梁ＳＢＭ３Ｂとを含む。
【０１４７】
このとき、第１部位Ｐ１は、第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａを介して第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と接続され、かつ、第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂを介して第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）と接続されている。
【０１４８】
また、第２部位Ｐ２は、第２外側支持梁ＳＢＭ２Ａを介して第２外側固定部（ＯＦＵ２Ａ、ＯＦＵ２Ｂ）と接続され、かつ、第２内側支持梁ＳＢＭ２Ｂを介して第２内側固定部（ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂ）と接続されている。
【０１４９】
さらに、第４部位Ｐ４は、第３外側支持梁ＳＢＭ３Ａを介して第３外側固定部（ＯＦＵ３Ａ、ＯＦＵ３Ｂ）と接続され、かつ、第３内側支持梁ＳＢＭ３Ｂを介して第３内側固定部（ＩＦＵ３Ａ、ＩＦＵ３Ｂ）と接続されている。
【０１５０】
このことから、励振素子ＤＥ１は、図１１に示すように、第１部位Ｐ１の端部と、第２部位Ｐ２の端部と、第４部位Ｐ４の端部との３箇所で支持梁を介して固定部に接続されている。この３箇所での接続構造により、本実施の形態３における励振素子ＤＥ１は、励振方向であるｘ方向以外の方向に動きにくくなる。このため、本実施の形態３における励振素子ＤＥ１には、ｙ方向の振動ノイズやｚ方向の振動ノイズが加わりにくい。すなわち、本実施の形態３における角速度センサは、励振振動に他方向の振動ノイズが加わりにくく、励振振動の安定性を確保することができる。したがって、本実施の形態３における角速度センサによれば、互いに異なる軸回りの角速度を検出可能としながら、それぞれの角速度の検出精度を向上することができる。
【０１５１】
ここで、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）は、第１部位Ｐ１に対して、互いに反対側に配置され、かつ、第２中心線ＣＬ２に対して、同じ側に配置されている。
【０１５２】
同様に、第２外側固定部（ＯＦＵ２Ａ、ＯＦＵ２Ｂ）と第２内側固定部（ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂ）は、第２部位Ｐ２に対して、互いに反対側に配置され、かつ、第２中心線ＣＬ２に対して、同じ側に配置されている。
【０１５３】
一方、第３外側固定部（ＯＦＵ３Ａ、ＯＦＵ３Ｂ）と第３内側固定部（ＩＦＵ３Ａ、ＩＦＵ３Ｂ）は、第４部位Ｐ４に対して、互いに反対側に配置され、かつ、第２中心線ＣＬ２に対しても、互いに反対側に配置されている。
【０１５４】
＜実施の形態３における検討事項＞
本実施の形態３における角速度センサは、例えば、図２に示すように、チップ搭載部ＴＡＢ、半導体チップＣＨＰ１、接着材ＡＤＨ１、ＡＤＨ２、センサエレメントＳＥなどの異種材料が積層される構造となっている。また、センサエレメントＳＥおよび半導体チップＣＨＰ１を含む上述した構成要素は、樹脂ＭＲで封止されている。すなわち、本実施の形態３における角速度センサは、線膨張係数の異なる複数材料の積層構造として構成される。このような積層構造を有する角速度センサが、例えば、車のエンジンルームなどの温度変化の激しい場所で使用される場合には、それぞれの構成材料の線膨張係数の差によって、センサエレメントＳＥが変形する。
【０１５５】
材料力学の理論によれば、温度変化と線膨張係数の差によって、センサエレメントＳＥは、均一な曲率を持つように変形する。このため、支持梁に接続されている固定部は、センサエレメントＳＥの中心から放射状に離れる方向、もしくは、近づく方向に移動する。この結果、支持梁には内部応力が発生して、支持梁のバネ定数が変化する。これにより、励振方向の共振周波数（固有振動数）ωＲが変動することになる。
【０１５６】
前記実施の形態１で説明したように、低い駆動電圧で大きな駆動変位（ｘ）を得るため、前記実施の形態１では、例えば、図７に示すように、ＰＬＬによるＡＦＣ１４およびＤＡ変換部１６を用いることにより、フィードバック制御を行なっている。これにより、前記実施の形態１によれば、駆動周波数ωｄを励振方向の共振周波数ωＲに合わせている。したがって、励振方向の共振周波数ωＲが変化すれば、駆動周波数ωｄも変化することになる。この結果、数式１３に定義されるコリオリ力Ｆｃｙも変動し、これによって、角速度センサの感度が変化することになる。さらに、励振方向の共振周波数ωＲの変動幅が大きい場合には、ＡＦＣ１４によるフィードバック制御が追従できず、角速度センサの機能が停止する場合もある。
【０１５７】
そこで、本実施の形態３では、例えば、励振素子ＤＥ１の形状を工夫している。すなわち、本実施の形態３による工夫点により、内部応力の軽減および相殺を図ることができる。この結果、本実施の形態３によれば、周辺環境温度の変化や封止樹脂に起因する基板歪（支持基板の変形）が発生する場合でも、励振方向の固有振動数ωＲの変動を少なくすることにより、安定性が高く、かつ、高信頼性を有する角速度センサを提供することができる。
【０１５８】
＜実施の形態３における第１工夫点＞
以下に、本実施の形態３における第１工夫点について説明する。本実施の形態３における第１工夫点は、励振素子ＤＥ１の形状にある。例えば、図１１に示すように、本実施の形態３における励振素子ＤＥ１は、励振方向であるｘ方向に延在する２つの長い第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを有し、かつ、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを接続するようにｙ方向に延在する第３部位Ｐ３と、この第３部位Ｐ３と接続された第４部位Ｐ４を有する。
【０１５９】
このように、励振素子ＤＥ１を上述した第１部位Ｐ１〜第４部位Ｐ４から構成することにより、例えば、周辺の環境温度や実装に起因する基板歪が発生して、固定部が変位した場合であっても、基板歪に起因するこの変位の一部は、ｘ方向に長い第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２の変形として吸収される。つまり、本実施の形態３における第１工夫点は、励振素子ＤＥ１をｘ方向に長い第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２を有するように構成する点にある。これにより、基板歪が発生した場合でも、励振素子ＤＥ１自体が変形しやすくなり、励振素子ＤＥ１自体で基板歪の一部を吸収しやすくできるのである。さらに、本実施の形態３における励振素子ＤＥ１の形状が閉ループ形状でないことからも、励振素子ＤＥ１自体が変形しやすくなり、この点からも、励振素子ＤＥ１自体で基板歪の一部を吸収しやすくできることになる。このことから、本実施の形態３における第１工夫点によれば、例えば、支持梁に発生する内部応力を軽減することができるため、支持梁のバネ定数の変動を抑制することができ、これによって、励振方向の共振周波数ωＲの変動も抑制することができるのである。
【０１６０】
＜実施の形態３における第２工夫点＞
ただし、励振素子ＤＥ１の変形ですべての基板歪を吸収することは困難であるため、励振素子ＤＥ１の変形で吸収し切れなかった基板歪が存在し、この残存する基板歪は、支持梁を構成する部材の内部応力となる。この点に関し、本実施の形態３では、さらに、例えば、図１１に示すように、支持梁を第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａと第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂから構成し、かつ、固定部を第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）から構成している。そして、第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａと第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂの配置位置、および、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）および第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）の配置位置に工夫を施している。この工夫点が本実施の形態３における第２工夫点であり、この第２工夫点によって、本実施の形態３によれば、第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａおよび第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂに発生する内部応力を相殺することができるのである。以下に、本実施の形態３における第２工夫点について説明する。
【０１６１】
本実施の形態３における第２工夫点は、第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａと第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂの配置位置、および、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）の配置位置に存在する。例えば、図１１に示すように、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）、第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）は、第２中心線ＣＬ２に対して同じ側に配置されている。このような配置の場合、基板歪がセンサエレメントＳＥの中心から外側に向かう方向に発生することを考慮すれば、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）には、同じ方向の基板歪が発生することになる。
【０１６２】
さらに、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）は、第１部位Ｐ１に対して対称に配置されている。そして、第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２を含む励振素子ＤＥ１は支持基板と直接接続されていない。この結果、励振素子ＤＥ１自体は基板歪に対して変位しないことを考慮すると、例えば、上述した対称配置されている第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）は同じ方向に変位し、かつ、励振素子ＤＥ１が変位しないことから、基板歪によって、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１部位Ｐ１との間の距離が大きくなり、第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）と第１部位Ｐ１との間の距離が小さくなる。または、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１部位Ｐ１との間の距離が小さくなり、第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）と第１部位Ｐ１との間の距離が大きくなる。このことは、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１部位Ｐ１とを接続している第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａに引張応力が働く場合には、第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）と第１部位Ｐ１とを接続している第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂに圧縮応力が働くことを意味している。言い換えれば、第１外側固定部（ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ）と第１部位Ｐ１とを接続している第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａに圧縮応力が働く場合には、第１内側固定部（ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ１Ｂ）と第１部位Ｐ１とを接続している第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂには、引張応力が働くことを意味している。したがって、本実施の形態３によれば、第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａおよび第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂに発生する内部応力は、互いに相殺されることなる。
【０１６３】
このように本実施の形態３の第１工夫点および第２工夫点によれば、支持基板に発生する基板歪のうちの一部は、励振素子ＤＥ１のｘ方向に長い第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２の変形によって吸収されるとともに、残りの基板歪に起因して第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａおよび第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂに発生する内部応力は、第１外側支持梁ＳＢＭ１と第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂの組み合わせを考えると相殺されることなる。この結果、本実施の形態３によれば、第１外側支持梁ＳＢＭ１Ａと第１内側支持梁ＳＢＭ１Ｂの組み合わせに対応する支持梁のトータルのバネ定数の変動を抑えることができるため、励振方向の共振周波数ωＲの変動に起因する角速度センサの感度の変動を抑制することができる。
【０１６４】
例えば、角速度センサの温度変化に起因する特性変動を補正する方法として、各温度点での角速度センサの出力値を記録し、これらが全使用温度範囲の中で、予め決められた仕様範囲内に収まるように補正する電気的な補正方法がある。ところが、角速度センサの各温度点における出力値が非線形的な挙動を示す場合には、補正のために、多くの温度点における出力値と複雑な補正演算処理が必要となるとともに、恒温槽を装備した高価な評価装置が必要となり、製造コストの上昇に繋がる。
【０１６５】
この点に関し、本実施の形態３における角速度センサによれば、上述した第１工夫点および第２工夫点を有しているため、広い使用温度範囲においても、振動系の共振周波数ωＲの変動を抑制できる。このため、本実施の形態３における角速度センサによれば、信号処理回路による高度な温度特性補正が不要となり、角速度センサの信頼性向上や、信号処理回路の小型化、角速度センサの出荷時における温度特性補正の簡素化などを図ることができ、これによって、製造コストの低減を図ることができる。
【０１６６】
＜振動素子ＳＥ１のその他の構成＞
図１１において、励振素子ＤＥ１に内包されるようにコリオリ素子ＣＥ１が設けられており、励振素子ＤＥ１とコリオリ素子ＣＥ１は、検出梁ＤＢＭ１および検出梁ＤＢＭ２によって接続されている。検出梁ＤＢＭ１および検出梁ＤＢＭ２は、ｘ方向に硬く、ｙ方向に軟らかい構成をしていることから、これらの検出梁ＤＢＭ１および検出梁ＤＢＭ２と接続されたコリオリ素子ＣＥ１は、ｚ方向回りの角速度が印加された場合に、コリオリ力によって、ｙ方向に変位することが可能となっている。
【０１６７】
コリオリ素子ＣＥ１の内部には、角速度検出部ＹＳＵ１とサーボ部ＳＥＲ１が設けられている。具体的に、角速度検出部ＹＳＵ１は、例えば、コリオリ素子ＣＥ１（フレーム部）と固定電極とからなる容量素子から構成されており、コリオリ力によって、コリオリ素子ＣＥ１がｙ方向に変位した際の静電容量の変化を捉えるように構成されている。この角速度検出部ＹＳＵ１での静電容量の変化は、制御回路に出力されて信号処理されることにより、角速度が検出されることになる。
【０１６８】
また、サーボ部ＳＥＲ１は、例えば、コリオリ素子ＣＥ１（フレーム部）とサーボ電極（固定電極）からなる容量素子から構成されており、容量素子にサーボ電圧を印加することにより発生するクーロン力によって、コリオリ力に基づくコリオリ素子ＣＥ１のｙ方向の変位を打ち消すように構成されている。具体的に、サーボ部ＳＥＲ１は、角速度検出部ＹＳＵ１による静電容量の変化に基づいて検出される角速度に比例したサーボ電圧を容量素子に印加するように構成されている。これにより、コリオリ素子ＣＥ１にコリオリ力が印加されても、コリオリ素子ＣＥ１はｙ方向にほとんど変位しないが、サーボ部ＳＥＲ１には、角速度に比例したサーボ電圧が印加されることから、サーボ電圧を出力することにより、結果的に、角速度を検出することができる。
【０１６９】
このサーボ部ＳＥＲ１を設ける利点は、コリオリ素子ＣＥ１をｙ方向に変位させることなく、角速度を検出することができるため、大きな角速度が印加された場合に、コリオリ素子ＣＥ１の想定外の変位によって、コリオリ素子ＣＥ１と固定電極が接触することを防止することができる点を挙げることができる。ただし、必ずしもサーボ部ＳＥＲ１を設ける必要はなく、例えば、コリオリ素子ＣＥ１がｙ方向に変位した際の角速度検出部ＹＳＵ１の静電容量の変化によって、角速度を検出するように構成することもできる。
【０１７０】
＜振動素子ＳＥ２の構成＞
続いて、振動素子ＳＥ２の構成について説明する。上述した振動素子ＳＥ１は、ｚ方向回りの角速度が印加された場合に、ｙ方向に発生するコリオリ力に基づく物理量（ｙ方向の変位やサーボ電圧）を検出する機能を有する一方、ここで説明する振動素子ＳＥ２は、ｙ方向回りの角速度が印加された場合に、ｚ方向に発生するコリオリ力に基づく物理量（ｚ方向の変位やサーボ電圧）を検出する機能を有する。
【０１７１】
図１２は、本実施の形態３における振動素子ＳＥ２の構成を示す平面図である。図１２に示す本実施の形態３における振動素子ＳＥ２の構成は、図１１に示す振動素子ＳＥ１の構成とほぼ同様であるため、相違点を中心に説明する。
【０１７２】
図１２において、本実施の形態３における振動素子ＳＥ２では、励振素子ＤＥ２に内包されるように、コリオリ素子ＣＥ２が配置されている。このコリオリ素子ＣＥ２は、検出梁ＤＢＭ３によって、励振素子ＤＥ２と接続されている。このとき、検出梁ＤＢＭ３は、ｚ方向に変位しやすいように構成されており、この検出梁ＤＢＭ３と接続されているコリオリ素子ＣＥ２は、ｙ方向回りの角速度が印加された場合、ｚ方向に変位するように構成されている。
【０１７３】
さらに、本実施の形態３における振動素子ＳＥ２には、例えば、コリオリ素子ＣＥ２と一体的に設けられた可動電極と、この可動電極とｚ方向に対向する固定電極（図１２では図示されず）とによって、角速度検出部ＹＳＵ２とサーボ部ＳＥＲ２が設けられている。その他の構成は、上述した振動素子ＳＥ１と同様であるため、説明を省略する。以上のようにして、本実施の形態３における振動素子ＳＥ２が構成されている。
【０１７４】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１７５】
ＣＥ１  コリオリ素子
ＣＥ２  コリオリ素子
ＣＥ３  コリオリ素子
ＣＥ４  コリオリ素子
ＤＥ１  励振素子
ＤＥ２  励振素子
ＤＥ３  励振素子
ＤＥ４  励振素子
ＬＢ１  連結梁
ＬＢ２  連結梁
ＬＢ３  連結梁
ＳＥ１  振動素子
ＳＥ２  振動素子
ＳＥ３  振動素子
ＳＥ４  振動素子
【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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