(57)【要約】      （修正有）【課題】感度が高く製造コストが低い振動型角速度センサによって直交する３軸周りの角速度を検出する。【解決手段】振動中心を含む基準平面において振動中心を基準として等方的に配置された３つ以上の錘部と、前記錘部に連結される結合部と、基準平面に対して垂直に往復運動可能に且つ基準平面と平行で、放射方向に往復振動可能に、前記３つ以上の錘部のそれぞれを結合部に連結する第一ばね部と、３つ以上の錘部を連結する第二ばね部と、基準平面に垂直な軸周りに回転振動可能に前結合部を支持部に連結する第三ばねと、放射方向に３つ以上の錘部を同期して往復振動させるための励振素子と、基準平面の垂線方向について３つ以上の錘部の変位を検出する第一検出素子と、基準平面に垂直な軸周りの結合部のトルクを検出するための第二検出素子と、から構成される。【選択図】図１
2012037283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動中心を含む基準平面において前記振動中心を基準として等方的に配置された３つ以上の錘部と、
前記錘部に連結される結合部と、
前記結合部に連結される支持部と、
前記基準平面に対して垂直に往復振動可能に且つ前記基準平面と平行で前記振動中心を中心とする放射線方向に往復振動可能に、前記３つ以上の錘部のそれぞれを前記結合部に連結する第一ばね部と、
前記基準平面に対して垂直に往復振動可能に且つ前記放射線方向に往復振動可能に前記３つ以上の錘部を連結する第二ばね部と、
前記基準平面に垂直な軸周りに回転振動可能に前記結合部を前記支持部に連結する第三ばねと、
前記放射線方向に前記３つ以上の錘部を同期して往復振動させるための励振素子と、
前記基準平面の垂線方向について前記３つ以上の錘部の変位を検出するための第一検出素子と、
前記基準平面に垂直な軸周りの前記結合部のトルクを検出するための第二検出素子と、
が形成され積層方向が前記基準平面に対して垂直な積層構造体を備え、
前記第一ばね部は、前記３つ以上の錘部のうち、それぞれが結合される１つの前記基準平面と平行な往復振動方向である特定参照振動方向の総延長が前記特定参照振動方向に垂直かつ前記基準平面と平行な方向の総延長よりも短い線形態を有する複数の第一ばねからなる、
振動型角速度センサ。
【請求項２】
前記第二ばね部は、前記基準平面と平行で前記振動中心から離れる方向である特定径方向に垂直な方向の総延長が前記特定径方向の総延長よりも短い線形態を有する複数の第二ばねからなる、
請求項１に記載の振動型角速度センサ。
【請求項３】
前記励振素子は、前記第一ばね部の前記基準平面と平行な端面に設けられた圧電素子である、
請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項４】
前記励振素子は、前記第二ばね部の前記基準平面と平行な端面に設けられた圧電素子である、
請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動型角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される振動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサが知られている。
特許文献１に記載の振動型角速度センサは錘と錘を支えるばねとしての膜とからなる１つの振動体を周回運動させることによって直交する３軸周りの角速度を検出する。振動体を周回運動させるためには位相と振幅がそれぞれ互いに異なる２系統以上の信号を出力する複雑な駆動回路が必要となるため、特許文献１に記載の振動型角速度センサは製造コストが高くなる。
特許文献２に記載の振動型角速度センサでは、直交する２方向に延びる２つの梁を一軸方向にそれぞれ撓み振動させ、それぞれの梁の捻れを検出することによって、直交する２軸周りの角速度を検出する。しかし、特許文献２に記載の振動型角速度センサでは３軸周りの角速度を検出できない。
【０００３】
さらに特許文献１、２に記載の振動型角速度センサの構造では、励振素子と検出素子とが同一の振動体に設けられているため、検出素子の出力には角速度の成分よりも遙かに大きな参照振動の成分が含まれることになる。したがって特許文献１、２に記載の振動型角速度センサでは、高い感度を実現することが困難である。
これに対し、特許文献３、４、５に記載の角速度センサでは、検出素子の出力に参照振動の成分は含まれない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９４４５０号公報
【特許文献２】特開２００８−１４６３３号公報
【特許文献３】特表２００７−５０９３４６号公報
【特許文献４】特開２００７−２７１６１１号公報
【特許文献５】特開２００６−１７５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献３に記載の振動型角速度センサでは、参照振動が１軸方向にしか変位しないため、直交する３軸周りの角速度を検出することができない。直交する３軸周りの角速度を検出するためには直交する２軸方向の参照振動が必要である。
一方、特許文献４に記載の角速度センサでは回転体に対して錘が小さくなるため、高い感度を実現することが困難である。また特許文献４に記載の角速度センサでは、出力を周波数で分離する必要があるため、検出回路の規模が大きくなり、製造コストが高くなる。
また、特許文献５に記載の振動型角速度センサでは、３つの梁部同士が三角形に連結され、さらに梁部同士の結合部にＹ字形の脚部が結合しているため、梁部の剛性が高く、梁部を大きな振幅で撓み振動させることができない。したがって特許文献５に記載の振動型角速度センサでも、高い感度を実現することは困難である。また、特許文献５に記載の振動型角速度センサでは積層構造体を構成する複数の層の積層方向と平行な端面に励振素子を設けるために製造コストが高くなる。
【０００６】
本発明は、感度が高く製造コストが低い振動型角速度センサによって直交する３軸周りの角速度を検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、振動中心を含む基準平面において前記振動中心を基準として等方的に配置された３つ以上の錘部と、前記錘部に連結される結合部と、前記結合部に連結される支持部と、前記基準平面に対して垂直に往復振動可能に且つ前記基準平面と平行で前記振動中心を中心とする放射線方向に往復振動可能に、前記３つ以上の錘部のそれぞれを前記結合部に連結する第一ばね部と、前記基準平面に対して垂直に往復振動可能に且つ前記放射線方向に往復振動可能に前記３つ以上の錘部を連結する第二ばね部と、前記基準平面に垂直な軸周りに回転振動可能に前記結合部を前記支持部に連結する第三ばねと、前記放射線方向に前記３つ以上の錘部を同期して往復振動させるための励振素子と、前記基準平面の垂線方向について前記３つ以上の錘部の変位を検出するための第一検出素子と、前記基準平面に垂直な軸周りの前記結合部のトルクを検出するための第二検出素子と、が形成され積層方向が前記基準平面に対して垂直な積層構造体を備え、前記第一ばね部は、前記３つ以上の錘部のうち、それぞれが結合される１つの前記基準平面と平行な往復振動方向である特定参照振動方向の総延長が前記特定参照振動方向に垂直かつ前記基準平面と平行な方向の総延長よりも短い線形態を有する複数の第一ばねからなる。
【０００８】
本発明によると、基準平面と平行な放射線方向に往復振動する３つ以上の錘部が第一ばね部によって結合部に連結されるとともに、第二ばね部によって相互に連結されるため、撓み振動する３つの梁部を互いに連結する場合に比べて参照振動の振幅を大きくすることができる。また、３つ以上の錘部の同期した往復振動は、位相も振幅も同じ１系統の駆動信号を励振素子に印加することによって実現できるため、駆動回路が簡素になる。そして直交する３軸のうちの２軸まわりの角速度は第一検出素子の出力から得られ、残りの１軸の角速度は第二検出素子の出力から得られるため、検出回路も簡素にできる。したがって本発明によると、感度が高く製造コストが低い振動型角速度センサによって直交する３軸周りの角速度を検出することができる。
また本発明によると、第一ばね部によって結合部に連結される錘部に対する拘束力は、基準平面と平行な錘部の往復振動方向において弱く、基準平面と平行な錘部の往復振動方向に垂直かつ基準平面と平行な方向において強くなる。したがって本発明によると、３つ以上の錘部を基準平面と平行な放射線方向に大きな振幅で安定して駆動することができる。
【０００９】
上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記複数の第一ばねのそれぞれは、前記特定参照振動方向に配列され前記特定参照振動方向に垂直な方向に延びる直線形の複数の第一線形ばねと、前記特定参照振動方向に垂直な垂直な方向に相対移動不能に前記複数の第一線形ばねを連結する第一ばね連結部とからなってもよい。
本発明によると、３つ以上の錘部を基準平面と平行な放射線方向にさらに安定して駆動することができる。
【００１０】
（２）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記第二ばね部は、前記基準平面と平行で前記振動中心から離れる方向である特定径方向に垂直な方向の総延長が前記特定径方向の総延長よりも短い線形態を有する複数の第二ばねからなってもよい。
本発明によると、第二ばね部によって相互に連結される錘部に対する拘束力は、振動中心から離れる方向である特定径方向に隣り合う錘部が互いにずれる方向において強く、隣り合う錘部の間隔がその特定径方向に垂直な方向において変わる方向において弱くなる。したがって本発明によると、３つ以上の錘部を基準平面と平行な放射線方向にさらに安定して駆動することができる。
【００１１】
上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記複数の第二ばねのそれぞれは、前記特定径方向に延びる直線形の複数の第二線形ばねと、前記特定径方向に相対移動不能に前記複数の第二線形ばねを連結する第二ばね連結部とからなってもよい。
本発明によると、３つ以上の錘部を基準平面と平行な放射線方向にさらに安定して駆動することができる。
【００１２】
上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記複数の第二ばねは、前記３つ以上の錘部のうちの２つの間において前記特定径方向に対して垂直な方向に延びる対称軸を基準として線対称に複数ずつ設けられてもよい。
本発明によると、３つ以上の錘部を基準平面に平行な放射線方向にさらに安定して駆動することができる。
【００１３】
上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記第一検出素子は、前記第一ばね部の前記基準平面と平行な端面に設けられた歪み検出素子でもよい。
本発明によると、振動型角速度センサの製造コストを低減することができる。
【００１４】
上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記第一検出素子は、前記第二ばね部の前記基準平面と平行な端面に設けられた歪み検出素子でもよい。
本発明によると、振動型角速度センサの製造コストを低減することができる。
【００１５】
上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記第一検出素子は、前記３つ以上の錘部のそれぞれの前記基準平面と平行な端面に可動電極が形成されるとともに前記支持部に固定電極が形成されたキャパシターでもよい。
本発明によると、振動型角速度センサの製造コストを低減することができる。
【００１６】
（３）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記励振素子は、前記第一ばね部の前記基準平面と平行な端面に設けられた圧電素子でもよい。
本発明によると、振動型角速度センサの製造コストを低減することができる。
【００１７】
（４）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記励振素子は、前記第二ばね部の前記基準平面と平行な端面に設けられた圧電素子でもよい。
本発明によると、振動型角速度センサの製造コストを低減することができる。
【００１８】
上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記第二検出素子は、前記第三ばねの前記基準平面と平行な端面に設けられた圧電素子でもよい。
本発明によると、振動型角速度センサの製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１Ａは本発明の一実施形態にかかる平面図である。図１Ｂは図１Ａに示すＢＢ線の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる平面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる平面図である。
【図４】図４Ａは図１Ａに示す４Ａ部分拡大図である。図４Ｂは図１Ａに示す４Ｂ部分拡大図である。図４Ｃは図１Ａに示す４Ｃ部分拡大図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる平面図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる平面図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．振動型角速度センサの構成
図１は本発明による振動型角速度センサの構成を示している。まず説明の便宜のために直交するｘｙｚ軸を図１Ａに示すように定める。振動型角速度センサ１は、ＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの複数の層がｚ軸方向に積層された積層構造体であって、パッケージ１１に収容される。振動型角速度センサ１には、支持部２０、結合部３０、錘部４１，４２，４３，４４、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂからなる第一ばね部、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂからなる第二ばね部、第三ばね７１，７２，７３，７４、圧電素子５５，６５，７５などが形成されている。
【００２１】
支持部２０は振動型角速度センサ１の外枠を構成している枠形の部分である。支持部２０はパッケージ１１の底面に接着層９９を介して固定されているため、実質的に剛体として振る舞う。支持部２０の内側には結合部３０、錘部４１，４２，４３，４４、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂからなる第一ばね部、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂからなる第二ばね部および第三ばね７１，７２，７３，７４が収まる空間が形成されている。支持部２０は第三ばね７１，７２，７３，７４を実質的に剛体として支持できる形態であればどのような形態であっても良い。
【００２２】
結合部３０は支持部２０の内側の空間に位置する枠形の部分である。結合部３０は支持部２０と同一の層構造を有し、実質的に剛体として振る舞う。結合部３０は実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。以後、ｘｙ平面と平行に結合部３０の重心と一致する振動中心Ｇを中心として延びる放射線の方向を放射線方向といい、振動中心Ｇを通りｘｙ平面と垂直な軸の周りを回る方向を周方向というものとする。正方形を構成する結合部３０の内側の４辺のそれぞれの中点から結合部３０の振動中心Ｇに向かって凸部３１，３２，３３，３４が突出している。
【００２３】
錘部４１，４２，４３，４４は振動中心Ｇを基準としてｘｙ平面に平行な基準平面において等方的に結合部３０の内側に配置されている部分である。具体的には、錘部４１，４２，４３，４４は互いに同一形態の構造要素であって、振動中心Ｇから錘部４１，４２，４３，４４のそれぞれの重心までの距離は等しく、振動中心Ｇを基準として錘部４１，４２，４３，４４のそれぞれの重心は等角度間隔に配置されており、錘部４１，４２，４３，４４のそれぞれの重心はｘｙ平面と平行に整列している。錘部４１，４２，４３，４４のそれぞれは、支持部２０および結合部３０と同一の層構造を有し、振動中心Ｇの近傍において直角に交わる２辺と結合部３０の近傍において結合部３０の辺と平行な１辺とを有する直角二等辺三角形を基本形（基本三角形）とする平板形を有する。錘部４１，４２，４３，４４は、基本三角形の直角に交わる２辺同士が互いに平行になるように配置されている。すなわち、錘部４１，４２，４３，４４は、正方形を対角線によって４分割したそれぞれの領域に配置されている。
【００２４】
第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂは、結合部３０の凸部３１、３２、３３、３４と錘部４１，４２，４３，４４とに結合している部分である。錘部４１，４２，４３，４４は、ｚ軸方向に往復振動可能に且つｘｙ平面に平行で振動中心Ｇを中心とする放射線方向に往復振動可能に、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂによって結合部３０に連結されている。第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂは、錘部４１，４２，４３，４４のそれぞれをこのように結合部３０に連結する形態であればどのような形態であっても良いが、本実施形態では次に述べる形態とする。
【００２５】
第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂは、錘部４１，４２，４３，４４のうちそれぞれが結合される１つの、ｘｙ平面と平行な往復振動方向である特定参照振動方向の総延長が、特定参照振動方向に垂直かつｘｙ平面と平行な方向の総延長よりも短い線形態を有する。また、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂの厚さ（ｚ軸方向長さ）は、錘部４１，４２，４３，４４に作用するｚ軸方向のコリオリ力によって錘部４１，４２，４３，４４が十分な振幅でｚ軸方向に往復振動するように設定されている。そして、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂのそれぞれは、特定参照振動方向に配列され特定参照振動方向に垂直な方向に延びる直線形の複数の第一線形ばね５０ａと、特定参照振動方向に垂直な方向に相対移動不能に複数の第一線形ばね５０ａを連結する複数の第一ばね連結部５０ｂとからなる。さらに、第一ばね５１ａ、５１ｂの組と、第一ばね５２ａ、５２ｂの組と、第一ばね５３ａ、５３ｂの組と、第一ばね５４ａ、５４ｂの組とは、それぞれ結合部３０の凸部３１、３２、３３、３４を基準として線対称の形態を有する。このようにして錘部４１，４２，４３，４４を結合部３０に連結することによって、基準平面と平行な放射線方向に大きな振幅で安定して錘部４１，４２，４３，４４を駆動することができる。
【００２６】
第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂは、錘部４１，４２，４３，４４を周方向に連結している部分である。錘部４１，４２，４３，４４は、ｚ軸方向に往復振動可能に且つｘｙ平面と平行で振動中心Ｇを中心とする放射線方向に往復振動可能に、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂによって周方向に連結されている。すなわち、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂによって結合部３０に連結されるとともに第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂによって周方向に連結されている錘部４１，４２，４３，４４は、等角度間隔の４つの放射線方向に等しい大きさの速度で往復振動可能であって、ｚ軸方向にも往復振動可能である。第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂは、このように錘部４１，４２，４３，４４を連結する形態であればどのような形態でも良いが、本実施形態では次に述べる形態とする。
【００２７】
第二ばね６１ａ、６１ｂの組、第二ばね６２ａ、６２ｂの組、第二ばね６３ａ、６３ｂの組、第二ばね６４ａ、６４ｂの組とは、錘部４１，４２，４３，４４のうちそれぞれが結合される２つの間においてそれぞれ放射線方向に整列している。また第二ばね６１ａ、６１ｂの組、第二ばね６２ａ、６２ｂの組、第二ばね６３ａ、６３ｂの組、第二ばね６４ａ、６４ｂの組とは、それぞれが整列している特定の放射線方向（特定径方向）に対して垂直かつｘｙ平面と平行な方向（特定周方向）に延びる対象軸について線対称に形成されている。第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂのそれぞれは、特定周方向の総延長が特定径方向の総延長よりも短い線形態を有する。また、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの厚さ（ｚ軸方向長さ）は、錘部４１，４２，４３，４４に作用するｚ軸方向のコリオリ力によって錘部４１，４２，４３，４４が十分な振幅でｚ軸方向に個別に往復振動するように設定されている。そして、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂのそれぞれは、特定径方向に配列され特定径方向に延びる直線形の複数の第二線形ばね６０ａと、特定径方向に相対移動不能に複数の第二線形ばね６０ａを連結する複数の第二ばね連結部６０ｂとからなる。このようにして錘部４１，４２，４３，４４を周方向に連結することによって、基準平面と平行な放射線方向に大きな振幅で安定して錘部４１，４２，４３，４４を駆動することができる。
【００２８】
第三ばね７１，７２，７３，７４は、一端が支持部２０に結合し他端が結合部３０に結合している部分である。第三ばね７１，７２，７３，７４は、支持部２０および結合部３０と同一の層構造を有し、周方向に薄い平らな板ばねの形態または線形態を有する。したがって、結合部３０は、支持部２０を静止体とする系においてｚ軸周りに回転振動可能に且つ支持部２０を静止体とする系においてｚ軸方向に往復振動不能に支持部２０に連結されている。互いに同一構成の第三ばね７１，７２，７３，７４は結合部３０から等角度間隔で放射線方向に伸びている。したがって、ｚ軸周りの結合部３０のトルクは第三ばね７１，７２，７３，７４に均等に作用する。なお、第三ばね７１，７２，７３，７４の幅（ｚ方向長さ）は、支持部２０または結合部３０の厚さ（ｚ方向長さ）よりも小さくても良い。また第三ばね７１，７２，７３，７４が支持部２０または結合部３０を構成する複数の層の一部から構成されていても良い。
【００２９】
２．振動型角速度センサの作動
振動型角速度センサ１の参照振動は、図２および図３の矢印で示すように、放射線方向に錘部４１，４２，４３，４４が同期して往復する振動である。したがって振動型角速度センサ１に設ける励振素子には、振動中心Ｇを基準としてｘｙ平面と平行な放射線方向に錘部４１，４２，４３，４４を往復振動させる機能が求められる。この機能を満たす限り、励振素子をどのように配置しても良いし、どのように構成しても良いが、本実施形態では励振素子をｘｙ平面と平行な端面に設ける圧電素子とし、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂまたは第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂのｘｙ平面と平行な端面に設ける。
【００３０】
具体的には例えば、第一ばね５３ａ、５３ｂを構成している複数の第一線形ばね５０ａ（図４Ａ参照）を、互いの平行をたもちながらｚ軸周りに揺動させるために、第一ばね５３ａ、５３ｂの第一線形ばね５０ａに複数の圧電素子５５を設ける。そして、凸部３３を基準として第一ばね５３ｂと対象に形成されている第一ばね５３ａと、第一ばね５３ａとが常に凸部３３を基準として対象な形態を維持するように、第一ばね５３ａ，５３ｂの第一線形ばね５０ａに複数の圧電素子５５を設ける。このように第一ばね５３ａ、５３ｂの第一線形ばね５０ａに複数の圧電素子５５を設けると、第一ばね５３ａ、５３ｂと結合している錘部４１を放射線方向に往復振動させる力を発生させることができる。第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂについても同様に、複数の第一線形ばね５０ａを、互いの平行をたもちながらｚ軸周りに揺動させるために、第一線形ばね５０ａに複数の圧電素子５５を設ければよい。このように第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂのそれぞれに圧電素子５５を設けると錘部４１，４２，４３，４４を９０度間隔の４つの特定径方向にそれぞれ往復振動させることができるため、位相も振幅も同じ１系統の駆動信号をそれぞれの圧電素子５５に印加すると、ｘｙ平面と平行で振動中心Ｇを中心とする放射線方向に錘部４１，４２，４３，４４を同期して往復させることができる。
【００３１】
また例えば、第二ばね６１ｂを構成している２つの第二線形ばね６０ａ（図４Ｂ参照）を、第二ばね連結部６０ｂを固定端として逆方向に揺動させるために、第二ばね６１ｂの２つの第二線形ばね６０ａに複数の圧電素子６５を設ける。そして、特定周方向に延びる対称軸について第二ばね６１ｂと線対称な第二ばね６１ａについても同様に第二ばね連結部６０ｂを固定端として逆方向に揺動させるために、第二ばね６１ａの２つの第二線形ばね６０ａに複数の圧電素子６５を設ける。このように第二ばね６１ａ、６１ｂの第二線形ばね６０ａに複数の圧電素子６５を設けると、第二ばね６１ａ、６１ｂと結合している錘部４１、４２を特定周方向に互いに離間させる力を発生させることができる。そして、第二ばね６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂについても同様に、２つの第二線形ばね６０ａを、第二ばね連結部６０ｂを固定端として逆方向に揺動させるように、２つの第二線形ばね６０ａに複数の圧電素子６５を設ければよい。このように第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂのそれぞれに圧電素子６５を設けると錘部４１，４２，４３，４４を４つの特定周方向に互いに離間させる力を発生させることができるため、位相も振幅も同じ１系統の駆動信号をそれぞれの圧電素子６５に印加するとｘｙ平面と平行で振動中心Ｇを中心とする放射線方向に錘部４１，４２，４３，４４を同期して往復振動させることができる。
【００３２】
以上述べた振動型角速度センサ１の参照振動に対するコリオリ力は次のように錘部４１，４２，４３，４４および結合部３０を振動させる。振動型角速度センサ１が図５に示すようにｘ軸周りに角速度ωｘで回転すると、ｘ軸に対して垂直なｙ軸方向に往復振動している錘部４２、４４に対して、ｚ軸に平行で互いに反対向きのコリオリ力Ｃｘ２、Ｃｘ４が作用する。コリオリ力Ｃｘ２、Ｃｘ４は、振動する錘部４２、４４の速度に比例するため、参照振動と同じ振動数において振動する力となる。振動型角速度センサ１が図６に示すようにｙ軸周りに角速度ωｙで回転すると、ｙ軸に対して垂直なｘ軸方向に往復振動している錘部４１、４３にｚ軸に平行で互いに反対向きのコリオリ力Ｃｙ１、Ｃｙ３が作用する。コリオリ力Ｃｙ１、Ｃｙ３は、振動する錘部４１、４３の速度に比例するため、参照振動と同じ振動数において振動する力となる。振動型角速度センサ１が図７に示すようにｚ軸周りに角速度ωｚで回転すると、ｚ軸に対して垂直なｘ軸方向およびｙ軸方向に往復振動している錘部４１，４２，４３，４４のそれぞれに周方向のコリオリ力Ｃｚ１、Ｃｚ２、Ｃｚ３、Ｃｚ４が作用する。錘部４１，４２，４３，４４の速度は、錘部４１，４２，４３，４４の順に一周する９０度間隔の４つの特定径方向の向きを持ち大きさが等しいため、コリオリ力Ｃｚ１、Ｃｚ２、Ｃｚ３、Ｃｚ４は、常に周方向において一致する方向を持ち大きさが等しくなる。したがって、コリオリ力Ｃｚ１、Ｃｚ２、Ｃｚ３、Ｃｚ４は結合部３０をｚ軸周りに回転させるトルクとして作用する。
【００３３】
コリオリ力Ｃｘ２、Ｃｘ４、Ｃｙ１、Ｃｙ３、Ｃｚ１、Ｃｚ２、Ｃｚ３、Ｃｚ４に応じた物理量を検出することによりｘｙｚ軸周りの角速度をそれぞれ検出することができる。本実施形態においては、次の通り、錘部４１，４２，４３，４４のｚ方向の変位に伴う歪みと結合部３０のトルクに伴う歪みとをそれぞれ検出することによりｘｙｚ軸周りの角速度を検出する。ｘ軸周りの角速度ωｘは、錘部４２、４４のｚ軸方向における変位に対応する。錘部４２、４４がｚ軸方向に変位すると、第一ばね５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂと第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂとがｚ軸方向に歪む。したがって、第一ばね５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂまたは第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂに設けられる歪み検出素子の出力からｘ軸周りの角速度ωｘを検出できる。ｙ軸周りの角速度ωｙは、錘部４１、４３のｚ軸方向における変位に対応する。錘部４１、４３がｚ軸方向に変位すると、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂと第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂとがｚ軸方向に歪む。したがって、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂまたは第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂに設けられる第一検出素子としての歪み検出素子の出力からｙ軸周りの角速度ωｙを検出できる。なお、ｘ軸周りの角速度ωｘに応じた第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの歪みと、ｙ軸周りの角速度ωｙに応じた第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの歪みとは異なるため、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂのそれぞれに複数づつ設けた歪み検出素子の出力からも、ｘ軸周りの角速度ωｘとｙ軸周りの角速度ωｙとを導出可能である。ｚ軸周りの角速度ωｚは、結合部３０をｚ軸と平行な軸周りに回転させるトルクに対応する。結合部３０のｚ軸周りのトルクは第三ばね７１，７２，７３，７４を周方向に歪ませる。したがって、第三ばね７１，７２，７３，７４に設けられる第二検出素子としての歪み検出素子の出力からｚ軸周りの角速度ωｚを検出できる。
【００３４】
第一ばね５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂ、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ、第三ばね７１，７２，７３，７４に設ける歪み検出素子として、励振素子としての圧電素子と共通の層構造を有する圧電素子を用いることにより製造コストの低減が可能である。
例えば、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂのそれぞれに設ける圧電素子６５を励振素子とし、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５３ａ，５３ｂのそれぞれに設ける圧電素子５５をωｚの検出素子とし、５２ａ，５２ｂ，５４ａ，５４のそれぞれに設ける圧電素子５５をωｘの検出素子とし、第三ばね７１，７２，７３，７４のそれぞれに設ける圧電素子７５をωｚの検出素子とする。そして、励振素子としての圧電素子６５と検出素子としての圧電素子５５，７５とを図４に示す配置領域において第一ばね５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂ、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ、第三ばね７１，７２，７３，７４のｘｙ平面と平行な端面に設ければよい。
【００３５】
また例えば、図４Ａに示すように第一ばね５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂ、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂのそれぞれに互いに平行な２つを１組として複数組設ける検出素子としての圧電素子５５に加えて、互いに平行な２つの圧電素子５５の間に励振素子としての圧電素子を配置してもよい。すなわち、励振素子としての圧電素子を第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂのみならず第一ばね５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂ、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂにも設けても良い。
【００３６】
また例えば、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂ、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂのそれぞれに設ける圧電素子５５を励振素子とし、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂのそれぞれに設ける圧電素子６５をωｘ、ωｙの検出素子とし、第三ばね７１，７２，７３，７４のそれぞれに設ける圧電素子７５をωｚの検出素子としてもよい。
【００３７】
振動型角速度センサ１を駆動するとともに角速度を検出するための回路は振動型角速度センサ１を構成している積層構造体に形成しても良いし、その積層構造体とは別の積層構造体に形成しても良い。またその回路が形成される積層構造体を、振動型角速度センサ１を構成している積層構造体のパッケージ１１とは別のパッケージに収容しても良い。
【００３８】
振動型角速度センサ１によると、ｘｙ平面と平行な放射線方向に往復振動する錘部４１、４２，４３，４４が第一ばね部によって結合部に連結されるとともに、第二ばね部によって相互に連結されるため、撓み振動する３つの梁部を互いに連結する場合に比べて参照振動の振幅を大きくすることができる。また、錘部４１，４２，４３，４４の同期した往復振動は、位相も振幅も同じ１系統の駆動信号を励振素子に印加することによって実現できるため、駆動回路が簡素になる。そして直交するｘｙ軸まわりの角速度は第一検出素子の出力から独立に得られ、残りのｚ軸まわりの角速度は第二検出素子の出力から独立に得られるため、検出回路も簡素にできる。したがって本発明によると、振動型角速度センサ１は、製造コストが低く、３軸周りの角速度を高い感度で検出することができる。
【００３９】
３．振動型角速度センサの製造方法
基板層１００、絶縁層１０２、電極層１０６、圧電層１０８、電極層１１０、絶縁層１１２などからなる積層構造体である振動型角速度センサ１は、例えば次のように製造することができる。まず単結晶珪素（Ｓｉ）からなる基板層１００の一方の主面に熱酸化等によって酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる絶縁層１０２を形成する。次に白金（Ｐｔ）からなる電極層１０６、チタン酸ジルコニア酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電層１０８、白金からなる電極層１１０を絶縁層１０２の表面に順次積層し、電極層１０６，圧電層１０８および電極層１１０をパターニングすることによって励振素子および検出素子としての圧電素子５５，６５，７５を形成する。電極層１０６、１１０の形成にはスパッタ法を用い、圧電層１０８の形成にはマグネトロンスパッタ法を用いることができる。次に絶縁層１０２および圧電素子５５，６５，７５の表面にプラズマＣＶＤ法などによって絶縁層１１２を形成し、絶縁層１１２にコンタクトホールを形成する。次にアルミニウム（Ａｌ）からなる図示しない導線層をスパッタ法によって形成し、導線層をパターニングする。次に絶縁層１１２および導線層の表面にフォトレジストマスクを形成し、フォトレジストマスクを用いて絶縁層１１２、１０２および基板層１００を反応性イオンエッチングによって図１に示す形状にパターニングする。その後、ダイシング、パッケージング等の後工程を実施すると振動型角速度センサ１が完成する。
【００４０】
なお、振動型角速度センサ１の寸法は仕様に応じて適宜設定すればよいが、例えばｘ方向およびｙ方向の外寸を３ｍｍとし、基板層１００の厚さを５０μｍとし、第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ、第三ばね７１，７２，７３，７４の最小幅（ｘｙ平面と平行な方向の最小長さ）を２０μｍとする。
【００４１】
振動型角速度センサ１は薄く構成できるため、ウエハの縁近傍の領域でも基板層１００のパターニング精度が落ちにく、また基板層１００のエッチング時間を短くできる。また振動型角速度センサ１の励振素子と検出素子はいずれも基板層１００および絶縁層１０２からなる第一ばね５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ、第二ばね６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ、第三ばね７１，７２，７３，７４のｘｙ平面と平行な端面に設けられた圧電素子５５，６５，７５であるため、全て同時に形成することができる。したがって、振動型角速度センサ１は低いコストで製造することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：振動型角速度センサ、１１：パッケージ、２０：支持部、３０：結合部、３１，３２，３３，３４：凸部、４１，４２，４３，４４：錘部、５０ｂ：連結部、５５，６５，７５：圧電素子、６０ｂ：連結部、９９：接着層、１００：基板層、１０２：絶縁層、１０６：電極層、１０８：圧電層、１１０：電極層、１１２：絶縁層、Ｃｘ２：コリオリ力、Ｃｙ１：コリオリ力、Ｃｚ１：コリオリ力、Ｇ：振動中心、ωｘ：角速度、ωｙ：角速度、ωｚ：角速度
【図１】
2012037283.tif 000003
【図２】
2012037283.tif 000004
【図３】
2012037283.tif 000005
【図４】
2012037283.tif 000006
【図５】
2012037283.tif 000007
【図６】
2012037283.tif 000008
【図７】
2012037283.tif 000009