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WO2010041422A1 - 角速度センサ素子およびこれを用いた角速度センサと角速度センサユニット及びその信号検出方法 - Google Patents

角速度センサ素子およびこれを用いた角速度センサと角速度センサユニット及びその信号検出方法 Download PDF

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Publication number
WO2010041422A1
WO2010041422A1 PCT/JP2009/005177 JP2009005177W WO2010041422A1 WO 2010041422 A1 WO2010041422 A1 WO 2010041422A1 JP 2009005177 W JP2009005177 W JP 2009005177W WO 2010041422 A1 WO2010041422 A1 WO 2010041422A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
drive
angular velocity
velocity sensor
arm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/005177
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
小林康展
川井孝士
三谷朋弘
足森洋平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2008260525A external-priority patent/JP5407259B2/ja
Priority claimed from JP2009011533A external-priority patent/JP2010169498A/ja
Priority claimed from JP2009211401A external-priority patent/JP5471217B2/ja
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to US13/122,445 priority Critical patent/US8561467B2/en
Priority to EP09818962A priority patent/EP2330381A4/en
Priority to US14/804,642 priority patent/USRE46514E1/en
Publication of WO2010041422A1 publication Critical patent/WO2010041422A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion

Definitions

  • the present invention relates to an angular velocity sensor element used in various electronic devices, an angular velocity sensor using the same, an angular velocity sensor unit, and a signal detection method thereof.
  • FIG. 23 is a top view of a conventional angular velocity sensor element.
  • arms 1002a and 1002b provided in a cross direction with the fixed portion 1001 as the center, and a pair of arms 1002a symmetrically arranged among the four arms 1002a and 1002b are defined as detection arms 1002a, and the remaining pair of arms 1002b.
  • a support arm 1002b Is a support arm 1002b.
  • a driving arm 1003 is provided at the tip of the support arm 1002b, and the driving arm 1003 is vibrated as indicated by an arrow, whereby an angular velocity is applied and a Coriolis force acts on the driving arm 1003.
  • Patent Document 1 As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
  • such an angular velocity sensor element has a cantilever structure in which the central portion of the drive arm 1003 is fixed to the support arm 1002b, the tip portion of the support arm 1002b serving as the vibration base point of the drive arm 1003 and the drive arm 1003
  • the vibration speed is greatly different at the tip. Since the Coriolis force is generated in proportion to the vibration speed, it is difficult to obtain the Coriolis force near the vibration base point of the drive arm 1003, and the stress transmitted to the detection arm 1002a is small.
  • FIG. 24 is another top view of the conventional angular velocity sensor element.
  • a square-shaped fixing portion 2001 made of quartz is provided with a first extension arm 2002 and a second extension arm 2003 that extend in the X-axis direction.
  • the first detection electrode vibrating body 2004 made of quartz has one end connected to the fixed portion 2001 and the other end extending in the Y-axis direction.
  • detection electrodes 2005 are provided on the four outer surfaces of the first detection electrode vibrating body 2004, respectively.
  • the second detection electrode vibrating body 2006 is provided from the fixed portion 2001 in the Y-axis direction opposite to the direction in which the first detection electrode vibrating body 2004 is extended.
  • the detection electrodes 2005 are also provided on the four outer surfaces of the two detection electrode vibrating bodies.
  • the first drive electrode vibrating body 2007 made of quartz has one end connected to the first vibrating arm 2002 and the other end extending in the Y-axis direction. Further, detection electrodes 2008 are provided on the four outer surfaces of the first drive electrode vibrating body 2007, respectively.
  • the second drive electrode vibrating body 2009 made of quartz has one end connected to the first extending arm 2002 and the other end Y on the opposite side to the direction in which the first driving electrode vibrating body 2007 is extended. It extends toward the axial direction. Further, detection electrodes 2008 are provided on the four outer surfaces of the second drive electrode vibrating body 2009, respectively.
  • the third drive electrode vibrating body 2010 made of quartz has one end connected to the second extending arm 2003 and the other end extending in the Y-axis direction. Further, detection electrodes 2008 are provided on the four outer surfaces of the third drive electrode vibrating body 2010, respectively.
  • the fourth drive electrode vibrating body 2011 made of quartz has one end connected to the second extending arm 2003 and the other end connected to the Y axis opposite to the direction in which the third driving electrode vibrating body 2010 is extended. Extends in the direction. Further, detection electrodes 2008 are provided on the four outer surfaces of the fourth drive electrode vibrating body 2011, respectively.
  • the angular velocity sensor element Is rotated at an angular velocity ⁇ with the Z axis being the direction perpendicular to the plane provided with the first axis as the central axis, the first drive electrode vibrating body 2007, the second drive electrode vibrating body 2009, the third drive electrode vibrating body 2010, and the second The Coriolis force of F 2 mv ⁇ ⁇ is generated in the four drive electrode vibrating bodies 2011.
  • Patent Document 2 is known.
  • one end of the first drive electrode vibrating body 2007 and the second drive electrode vibrating body 2009 is fixed to the first extending portion, and the third drive electrode vibrating body 2010 and the second drive electrode vibrating body 2010 are fixed. Since one end of the four drive electrode vibrating bodies 2011 is fixed to the second extending portion 2003, the cantilever structure is driven to vibrate. As a result, the displacement amount on the free end side of the first drive electrode vibrating body 2007, the second drive electrode vibrating body 2009, the third drive electrode vibrating body 2010, and the fourth drive electrode vibrating body 2011 is reduced. The generated Coriolis force is also reduced, and as a result, the output sensitivity of the angular velocity sensor element is reduced.
  • FIG. 25 is another top view showing a conventional sensor element.
  • a symmetrically bent driving arm 3005 is arranged with the detection axis 3004 as the center, and the driving arm 3005 is fundamentally oscillated in one of the main surfaces of the driving arm 3005 in the bending direction (X-axis direction).
  • the drive electrode 3006, the monitor electrode 3007 for detecting the basic vibration state of the drive arm 3005, and the sense electrode 3008 for forming a detection signal from the detected vibration due to the Coriolis force are appropriately provided.
  • the signal level of the drive signal applied to the drive electrode 3006 is controlled based on the monitor signal output from the monitor electrode 3007 that detects the basic vibration state of the sensor element 3001.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing the principle of operation of electrodes provided in a conventional sensor element.
  • each electrode provided on the drive arm 3005 has a laminated electrode structure in which a piezoelectric layer 3009 is sandwiched between an upper electrode 3010 and a lower electrode 3011.
  • a compressive force 3012 in the stacking direction is generated in the stacked electrode, and the stacked electrode is stretched.
  • a negative voltage is applied, a tensile force 3013 in the stacking direction is generated in the stacked electrode, causing the stacked electrode to shrink.
  • the drive arm 3005 of the sensor element 3001 is fundamentally oscillated in the X-axis direction.
  • Patent Document 3 is known.
  • This Z-axis vibration forms an unnecessary signal also on the monitor electrode 3007 that detects the basic vibration of the drive arm 3005, and thus the output level of the monitor signal output from the monitor electrode 3007 is changed.
  • the level control of the drive signal for controlling the fundamental vibration is adversely affected, and the detection accuracy of the angular velocity sensor unit is deteriorated.
  • the present invention improves the detection level of the angular velocity sensor element. Also provided is an angular velocity sensor element with increased output sensitivity. Furthermore, the deterioration of the detection accuracy of the angular velocity sensor unit is suppressed.
  • the present invention detects the angular velocity applied to the drive arm and the drive electrode that vibrates the structure of the angular velocity sensor element between the fixed portion and the weight portion with the drive arm, and vibrates the weight portion in the direction connecting the fixed portion and the weight portion.
  • the drive electrode is provided with a detection electrode to be formed, and the shape of the drive arm is a folded structure of an arm side extending in a direction orthogonal to the vibration direction of the weight portion.
  • the present invention can improve the detection level of the angular velocity sensor element.
  • the present invention also provides a fixed part, a quadrangular columnar detection electrode vibrating body having one end connected to the fixed part, provided with at least one detection electrode on the side of the upper surface, and provided with a GND electrode on the side. Is connected to the other end of the detection electrode vibrating body, and is connected to the other end of the driving electrode vibrating body having a quadrangular columnar shape with at least a pair of driving electrodes provided on two of the four surfaces. And a bending portion provided at a connection portion between the detection electrode vibrating body and the drive electrode vibrating body.
  • both the drive electrode vibrating body and the detection electrode vibrating body are largely bent with the bent portion as a fulcrum.
  • the output signal generated from the detection electrode in the detection electrode vibrating body is increased.
  • the output sensitivity of the angular velocity sensor element is increased.
  • the present invention provides an angular velocity sensor unit comprising a vibration type sensor element for detecting an angular velocity and a package containing an IC for controlling the sensor element.
  • the sensor element is provided with a drive electrode, a monitor electrode, and a sense electrode on a drive arm.
  • a correction electrode is provided on the wiring electrode of the monitor electrode provided on the support arm that supports the drive arm, and an unnecessary signal formed on the monitor electrode by the Z-axis vibration is replaced with a correction signal formed on the correction electrode by the same Z-axis vibration. It is equipped with a structure that attenuates.
  • Such a configuration can suppress deterioration in detection accuracy of the angular velocity sensor unit.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing an angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view showing an angular velocity sensor element constituting the angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a driving vibration state of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a detected vibration state of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the principle of expansion and contraction of the electrodes provided in the angular velocity sensor element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing an angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view showing an angular velocity sensor element constituting the angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the driving principle of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the detection principle of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the noise reduction principle of the detection electrode during the drive vibration of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a shape dimension diagram of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a top view of the angular velocity sensor element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the detection electrode vibrating body and the drive electrode vibrating body in the angular velocity sensor element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a side sectional view of the detection electrode vibrating body and the monitor electrode vibrating body in the angular velocity sensor element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a top view showing a state in which the angular velocity sensor element according to the second embodiment of the present invention vibrates.
  • FIG. 14 is a top view showing a state in which the angular velocity sensor element according to Embodiment 2 of the present invention operates by generating Coriolis force.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view showing an angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 16 is a top view showing a sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a basic vibration state of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing a detected vibration state of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the operating state of the drive electrode with respect to the fundamental vibration of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a basic vibration state of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing a detected vibration state of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the operating state of the drive
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing a detection state of the monitor electrode with respect to the fundamental vibration of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing the detection state of the sense electrode with respect to the detection vibration of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing Z-axis vibration of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 23 is a top view of a conventional angular velocity sensor element.
  • FIG. 24 is another top view of a conventional angular velocity sensor element.
  • FIG. 25 is another top view showing a conventional sensor element.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing an operation principle of electrodes provided in a conventional sensor element.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing an angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • an angular velocity sensor element 5 in a package 4 an ASIC 6 including a drive control circuit for applying a drive signal to the angular velocity sensor element 5 and a detection circuit for processing a detection signal output from the angular velocity sensor element 5 are provided. Is arranged. The opening of the package 4 is sealed with a lid 7. The ASIC 6 and the angular velocity sensor element 5 are attached to the package 4 via a TAB tape 8 for anti-vibration measures.
  • FIG. 2 is a top view showing the angular velocity sensor element constituting the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the angular velocity sensor element 5 has a shape in which a fixed portion 9 and weight portions 10 are symmetrically arranged on both sides of the fixed portion 9, and each weight portion 10 is connected by a pair of drive arms 11. .
  • a drive electrode 12, a detection electrode 13, and a monitor electrode 14, which will be described later, are appropriately disposed on the drive arm 11, and are connected to a pad electrode 15 provided on the fixed portion 9 via a connection wiring 16.
  • Each drive arm 11 has a folded structure of arm sides 11a and 11b extending in a direction (Y-axis direction) orthogonal to a direction (X-axis direction) connecting the fixed portion 9 and the weight portion 10.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a driving vibration state of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a detected vibration state of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • the drive signal formed by the ASIC 6 is applied to the drive electrode 12 via the pad electrode 15 and the connection wiring 16, so that the weight portion 10 is moved in the X-axis direction as shown in FIG. 3. Vibrate to expand and contract.
  • a Coriolis force is generated by receiving an angular velocity having a rotation axis in a direction (Z-axis direction) perpendicular to the substrate surface (XY plane) of the angular velocity sensor element 5. As shown in FIG.
  • the deformation of the drive arm 11 due to the detected vibration is detected by the detection electrode 13 shown in FIG. 2 and converted into an electric signal, and this detection signal is output to the ASIC 6 via the connection wiring 16 and the pad electrode 15. Yes.
  • the monitor electrode 14 is provided for detecting the amplitude and the driving cycle of the driving arm 11 and feeding back the information to the ASIC 6 to control the detection accuracy.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the principle of expansion and contraction of the electrodes provided in the angular velocity sensor element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the angular velocity sensor element 5 has a structure in which a drive electrode 12, a detection electrode 13, a monitor electrode 14 and the like are provided on a substrate made of Si.
  • the laminated electrode is formed on the lower electrode 18 made of Pt provided on the substrate 17, the piezoelectric layer 19 made of PZT provided on the lower electrode 18, and the piezoelectric layer 19.
  • the upper electrode 20 is made of Au. When a positive voltage is applied to the upper electrode 20 with the lower electrode 18 connected to the ground, a compressive force acts in the electrode stacking direction.
  • the electrode By receiving this compressive force while the lower electrode 18 is fixed to the substrate 17, the electrode stretches in the in-plane direction of the substrate 17, and when a negative voltage is applied to the upper electrode 20, the electrode is pulled in the stacking direction of the electrodes. Power works. By receiving the tensile force with the lower electrode 18 fixed to the substrate 17, the electrode contracts in the in-plane direction of the substrate 17. Further, as a reverse phenomenon, a negative voltage is generated when the drive arm 11 is bent and the electrode is contracted, and a positive voltage is generated when the electrode is extended.
  • An adhesive layer made of Ti is interposed between the upper electrode 20 and the piezoelectric layer 19 and between the lower electrode 18 and the piezoelectric layer 19 although not particularly shown in order to enhance the adhesion between the layers.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the driving principle of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • the arm side 11b connected to the weight portion 10 side is shown by broken lines 21a and 21b as vertical and horizontal central axes (the vertical central axis is the arm side 11b).
  • a central axis 21a in the extending direction, and a lateral central axis is divided into four by a central axis 21b perpendicular to the extending direction including the bending inflection point of the arm side 11b), and the drive electrode 12 is brought close to the weight portion 10. Place it on the side and its diagonal position.
  • the drive arm 11 has a folded structure of arm sides 11a and 11b orthogonal to the vibration direction of the weight portion 10, and the amplitude of the drive arm 11 is ensured by bending of the arm sides 11a and 11b.
  • an amplitude larger than the amplitude of the drive arm 1003 having the conventional cantilever structure shown in FIG. 23 is obtained, and the arm sides 11a and 11b extend in a direction perpendicular to the vibration direction.
  • the individual arm sides 11a and 11b are bent and vibrated. Therefore, the difference in vibration speed in the drive arm 11 is small, and it is more susceptible to Coriolis force than the conventional structure in which the difference in vibration speed is large between the tip portion and the fixed end portion. Therefore, the detection level of the angular velocity sensor element 5 is improved.
  • a Coriolis force acts on the drive arm 11 at an angular velocity centered on an axis (Z axis) perpendicular to the vibration surface (XY plane).
  • the deflection of the arm side 11a generated at this time is converted into an electric signal by the detection electrode 13 and output to the detection circuit of the ASIC 6.
  • the angular velocity sensor element 5 is housed in the package 4, the mounting surface of the package 4 and the substrate surface of the angular velocity sensor element 5 coincide with each other, and the angular velocity detection axis of the angular velocity sensor element 5 is perpendicular to the mounting surface. Become. Therefore, similarly to the conventional angular velocity sensor, the angular velocity sensor has a structure with a reduced height relative to the mounting surface.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the detection principle of the angular velocity sensor element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the detection signal is formed from the detection vibration shown in FIG. 4 in the angular velocity sensor element 5, as shown in FIG. 7, the detection electrode 13 is positioned eccentrically with respect to the central axis 22a in the extending direction of the arm side 11a.
  • the deflection component of the arm side 11a due to the Coriolis force can be efficiently converted into an electric signal.
  • the arm side 11a that constitutes the drive arm 11 bends in a bowed state when an angular velocity is applied. Therefore, it is necessary to form a detection signal for the bowed deflection.
  • the detection electrode 13 is eccentrically provided on the right side of the central axis 22a of the arm side 11a, when the arm side 11a bends to the left side in FIG. 7, detection is performed on the right half of the arm side 11a. Since a force for extending the electrode 13 is applied, a positive voltage is generated. When the arm side 11a bends to the right side in FIG. 7, a negative voltage is generated because a force for contracting the detection electrode 13 is applied to the right half of the arm side 11a. In this way, a detection signal can be formed.
  • the detection electrode 13 is patterned with a uniform left and right width with respect to the central axis 22a in the extending direction of the arm side 11a, a negative voltage formed by the compressive stress in the left half and a positive voltage formed in the right half are generated. The detection signal is not output because the detection electrode 13 is canceled.
  • the detection electrode 13 be eccentric to one side without straddling the central axis 22a.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the principle of noise reduction of the detection electrode during drive vibration of the angular velocity sensor element according to the first embodiment of the present invention.
  • the drive electrode 12 when the drive electrode 12 is disposed in the vicinity of the detection electrode 13, the drive signal applied to the drive electrode 12 is unnecessarily coupled with the detection electrode 13 to form a noise signal. Therefore, the drive electrode 12 is desirably provided on the arm side 11b different from the arm side 11a on which the detection electrode 13 is provided.
  • the drive arm 11 since the drive arm 11 has a folded structure of the arm sides 11a and 11b, the vibration direction is difficult to be stabilized in the structure in which one drive arm 11 is provided for one weight portion 10. Therefore, by arranging the drive arm 11 side by side with respect to one weight portion 10 and making one drive arm shape 11 symmetrical with the other drive arm 11, the directionality of drive vibration can be enhanced. Note that the drive electrodes 12 provided in each drive arm 11 are similarly arranged symmetrically, whereby the direction of drive vibration can be further improved.
  • the routing path of the wiring electrode 16 connected to the drive electrode 12 and the detection electrode 13 are connected. Further, the wiring path of the wiring electrode 16 can be wired on a different drive arm 11. Therefore, unnecessary coupling between the drive signal path including the drive electrode 12 and the detection signal path including the detection electrode 13 can be reduced, and the detection accuracy of the angular velocity sensor element can be increased.
  • the output path of the detection signal can be shortened, so that noise generation in the output path can be further suppressed.
  • the drive electrode 12 on the arm side 11b on the weight part 10 side of the other drive arm 11 the distance between the detection electrode 13 and the drive electrode 12 can be further increased. Can be reduced.
  • the angular velocity sensor element 5 has a structure in which a fixed portion 9 that supports a pair of drive arms 11 connected to each weight portion 10 is separated for each drive arm 11. By dividing the support portions of the pair of drive arms 11 in this way, the pair of drive arms 11 connected to one weight portion 10 has a macroscopic doubly-supported beam structure.
  • the flexibility of the connecting part can be increased. Therefore, the amplitude at the time of the detection vibration can be increased, and as a result, the detection level of the angular velocity sensor element 5 can be further increased.
  • FIG. 9 is a shape dimension diagram of the angular velocity sensor element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the Si substrate 17 of the angular velocity sensor element 5 has a thickness t of 0.1 mm, an outermost width a of 1.004 mm, and a width b of 2.2 mm.
  • the fixing portion 9 has a T-shape divided at the center, and the central portion has a division width c of 0.055 mm, a width d of 0.134 mm, and a width e of 0.125 mm.
  • Each drive arm 11 has a width f of 1.84 mm, a width g of 0.6 mm, and a gap width h of 0.055 mm.
  • the weight part 10 has a width i of 0.15 mm and a width j of 1.58 mm.
  • the connecting portion between the arm side 11b and the weight portion 10 has a width k of 0.055 mm and a width l of 0.24 mm.
  • the connection between the arm side 11a and the fixed portion 9 has a width m of 0.24 mm across the divided portion.
  • corner portions such as the folded portions of the arm sides 11a and 11b have a fillet shape in order to prevent damage due to stress concentration due to vibration, and each inner fillet radius n is 0.02 mm, and the outer fillet radius o is 0.04 mm. Yes.
  • the angular velocity sensor element 5 has been described by taking a structure in which a laminated electrode using PZT is disposed on the substrate 17 made of Si.
  • the substrate 17 is made of a piezoelectric material such as quartz and the opposite electrode is formed on the opposite surface of the substrate 17, the amplitude of the drive vibration in the angular velocity sensor element 5 can be increased and the detection level can be increased. The same effect can be achieved without change.
  • FIG. 10 is a top view of the angular velocity sensor element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the detection electrode vibrating body and the drive electrode vibrating body in the angular velocity sensor element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a side sectional view of the detection electrode vibrating body and the monitor electrode vibrating body in the angular velocity sensor element according to the second embodiment of the present invention.
  • a drive electrode land 222, a pair of detection electrode lands 223, and a GND electrode land 224 are provided on the upper surface of the first fixing portion 221 made of a T-shaped crystal.
  • a second fixing portion 225 made of T-shaped crystal is provided on the same plane as the first fixing portion 221.
  • a pair of drive electrode lands 226 a, monitor electrode lands 226 b, and GND electrode lands 227 are provided on the upper surface of the second fixing portion 225.
  • the first fixing portion 221 includes detection electrode lands that are electrically connected to the first detection electrode 229 in the first detection electrode vibrating body 228 and the second detection electrode 236 in the second detection electrode vibrating body 235. 223, and a drive electrode land 222 electrically connected to the first drive electrode 232a in the first drive electrode vibrating body 231 and the second drive electrode 232b in the second drive electrode vibrating body 238 are provided. . Further, the second fixing portion 225 includes a drive electrode electrically connected to the first drive electrode 232a in the third drive electrode vibrating body 243 and the second drive electrode 232b in the fourth drive electrode vibrating body 247. A land 226a is provided. With such a configuration, input / output of signals with an external circuit (not shown) can be easily performed.
  • first detection electrode vibrating body 228 made of quartz is connected to the first fixing portion 221.
  • the first detection electrode 229 is provided on the side of the upper surface and the side surface is provided.
  • the first drive electrode vibrating body 231 made of quartz is connected at one end to the other end of the first detection electrode vibrating body 228, and provided with a pair of first drive electrodes 232a on both side surfaces and on the upper and lower surfaces.
  • a pair of second drive electrodes 232b is provided.
  • a bent portion 233 having a folded shape is provided at a connection portion between the first detection electrode vibrating body 228 and the first drive electrode vibrating body 231, so that the first detection electrode vibrating body 228 and the first drive electrode are provided.
  • the vibrating body 231 is configured to be deformed into a similar shape.
  • the first weight portion 234 is connected to the other end of the first drive electrode vibrating body 231.
  • One end of the second detection electrode vibrating body 235 made of quartz is connected to the side opposite to the side where the first fixing portion 221 and the first detection electrode vibrating body 228 are provided.
  • the second detection electrode 236 is provided on the side of the upper surface, and the GND electrode 237 is provided on the side surface.
  • the second drive electrode vibrating body 238 made of quartz is connected at one end to the other end of the second detection electrode vibrating body 235, and provided with a pair of first drive electrodes 232a on both side surfaces and on the upper and lower surfaces.
  • a pair of second drive electrodes 232b is provided.
  • the second weight portion 239 is connected to the other end of the second drive electrode vibrating body 238.
  • the first monitor electrode vibrating body 240 made of quartz has one end connected to the second fixing portion 225, and as shown in FIG. 12, the first monitor electrode 241 is provided on one side surface and the upper and lower surfaces are provided. A pair of GND electrodes 242 are provided.
  • the third drive electrode vibrating body 243 made of quartz is connected at one end to the other end of the first monitor electrode vibrating body 240, provided with a pair of first drive electrodes 232a on both side surfaces, and upper and lower surfaces Are provided with a pair of second drive electrodes 232b. Further, a second weight portion 239 is connected to the other end of the third drive electrode vibrating body 243.
  • One end of the second monitor electrode vibrating body 244 made of quartz is connected to the second fixing portion 225, and as shown in FIG.
  • the second monitor electrode 245 is provided on one side surface and the upper and lower surfaces are provided.
  • a GND electrode 246 is provided.
  • the fourth drive electrode vibrating body 247 made of crystal is connected at one end to the other end of the second monitor electrode vibrating body 244, and provided with a pair of first drive electrodes 232a on both side surfaces and on the upper and lower surfaces.
  • a pair of second drive electrodes 232b is provided.
  • the other end of the fourth drive electrode vibrating body 247 is connected to the first weight portion 234.
  • each of the first drive electrode vibrating body 231, the second drive electrode vibrating body 238, the third drive electrode vibrating body 243, and the fourth drive electrode vibrating body 247 includes a pair of first first electrodes provided respectively. Polarization is directed toward the drive electrode vibrating body 231.
  • a base body in an angular velocity sensor element in which 247 is integrally formed is prepared.
  • first drive electrode vibrating body 231, the second drive electrode vibrating body 238, the third drive electrode vibrating body 243, and the fourth drive electrode vibrating body 247 are each deposited by vapor deposition of gold.
  • Drive electrode 232a and second drive electrode 232b are formed.
  • the first detection electrode 229 and the GND electrode 230 are formed on the first detection electrode vibrating body 228 by evaporating gold. Further, the second detection electrode 236 and the GND electrode 237 are formed on the second detection electrode vibrating body 235 by evaporating gold.
  • the first monitor electrode 241 and the GND electrode 242 are formed on the first monitor electrode vibrating body 240 by depositing gold. Further, the second monitor electrode 245 and the GND electrode 246 are formed on the second monitor electrode vibrating body 244 by evaporating gold.
  • the drive electrode land 222, the detection electrode land 223, and the GND electrode land 224 are formed on the first fixed portion 221 by evaporating gold.
  • the drive electrode land 226a, the monitor electrode land 226b, and the GND electrode land 227 are formed on the second fixed portion 225 by evaporating gold.
  • FIG. 13 is a top view showing a state in which the angular velocity sensor element according to the second embodiment of the present invention vibrates.
  • the first drive electrode 232a and the second drive electrode of each of the first drive electrode vibrator 231, the second drive electrode vibrator 238, the third drive electrode vibrator 243, and the fourth drive electrode vibrator 247 An AC voltage is applied to 232b.
  • the current flowing between the first drive electrode 232a and the second drive electrode 232b is the first drive electrode vibrating body 231, the second drive electrode vibrating body 238, and the third drive electrode vibrating body 243.
  • a tensile stress is generated.
  • the current flowing between the first drive electrode 232a and the second drive electrode 232b causes the first drive electrode vibrating body 231, the second drive electrode vibrating body 238, the third drive electrode vibrating body 243, and In the case of the direction opposite to the polarization direction of the fourth drive electrode vibrating body 247, a compressive stress is generated.
  • the angular velocity sensor element is driven to vibrate at a speed V in the driving direction in which the first weight portion 234 and the second weight portion 239 are connected.
  • This drive vibration is also transmitted to the first detection electrode vibrating body 228 and the second detection electrode vibrating body 235 via the bent portion 233, and the first detection electrode vibrating body 228 and the second detection electrode vibrating body 235.
  • the drive vibration occurs at the speed V in the drive direction at the natural frequency in the drive direction.
  • a bent portion 233 is provided at a connection portion between the first detection electrode vibrating body 228 and the first drive electrode vibrating body 231, and the second detection electrode vibrating body 235, the second drive electrode vibrating body 238, A bent portion 233 is also provided in the connecting portion. Therefore, the first detection electrode vibrating body 228, the first drive electrode vibrating body 231, the second detection electrode vibrating body 235, and the second drive electrode vibrating body 238 are greatly bent with the bent portion 233 as a fulcrum. . As a result, the Coriolis force generated in the first detection electrode vibrating body 228 and the second detection electrode vibrating body 235 is increased. Therefore, the output signals generated from the first detection electrode 229 in the first detection electrode vibrating body 228 and the second detection electrode 236 in the second detection electrode vibrating body 235 become large. As a result, the output sensitivity of the angular velocity sensor element is increased.
  • FIG. 14 is a top view showing a state in which the angular velocity sensor element according to Embodiment 2 of the present invention operates by generating Coriolis force.
  • the angular velocity sensor element rotates at the angular velocity ⁇ with the direction perpendicular to the plane on which the angular velocity sensor element is provided as the central axis.
  • a Coriolis force of F 2 mV ⁇ ⁇ is generated in the first detection electrode vibrating body 228 and the second detection electrode vibrating body 235.
  • the charge generated in the first detection electrode 229 in the first detection electrode vibrating body 228 and the second detection electrode 236 in the second detection electrode vibrating body 235 is transferred to the first fixed portion 221. Is output to the outside via a pair of detection electrode lands 223. As a result, the angular velocity is detected.
  • the connecting portion between the first detection electrode vibrating body 228 and the first drive electrode vibrating body 231 has a folded shape, and the second detection electrode vibrating body 235 The connection portion with the second drive electrode vibrating body 238 is also folded. Therefore, the first detection electrode vibrating body 228 and the first drive electrode vibrating body 231 are deformed into a similar shape, and the second detection electrode vibrating body 235 and the second drive electrode vibrating body 238 are also deformed into a similar shape. To do. As a result, the vibration drive of both the first detection electrode vibrating body 228, the first drive electrode vibrating body 231, the second detection electrode vibrating body 235, and the second drive electrode vibrating body 238 is stabilized, and due to the Coriolis force. The accuracy of the generated output signal is improved.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view showing an angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • a vibration type sensor element 301 that detects an angular velocity inside a package 303
  • a drive control circuit that applies a drive signal to the sensor element 301
  • a detection circuit that processes a detection signal output from the sensor element 301.
  • the IC 302 to be included is arranged, and the opening of the package 303 is sealed with a lid 314.
  • FIG. 16 is a top view showing a sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the sensor element 301 has an external connection portion 315 and a support arm 316 extending from the central portion thereof toward the center portion of the sensor element 301, and a weight portion 317 so as to sandwich the support arm 316.
  • the weight portions 317 are connected by a pair of drive arms 305.
  • a drive electrode 306, a sense electrode 308, and a monitor electrode 307, which will be described later, are arranged on the drive arm 305, and are connected to an electrode pad 318 provided on the external connection portion 315 via a wiring electrode 319.
  • Each drive arm 305 that connects the distal end portion of the support arm 316 and the weight portion 317 has a zigzag structure in which a plurality of arm sides 305a and 305b extending in the Y-axis direction are connected in a folded manner.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a basic vibration state of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing a detected vibration state of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to the third embodiment of the present invention.
  • the deformation of the drive arm 305 due to the vibration in the Y-axis direction is detected by the sense electrode 308 and converted into an electric signal, and this detection signal is output to the IC 302 via the wiring electrode 319 and the electrode pad 318.
  • the monitor electrode 307 is provided to detect the amplitude and drive cycle of the drive arm 305 and feed back the information to the IC 302 to control the drive signal.
  • the sensor element 301 is provided with the above-described drive electrode 306, sense electrode 308, and monitor electrode 307 on a substrate made of Si.
  • the structure of each electrode is the lower electrode 3011 made of Pt provided on the substrate, the piezoelectric layer 3009 made of PZT provided on the lower electrode 3011, and the piezoelectric layer.
  • This is a laminated electrode structure comprising an upper electrode 3010 made of Au provided on the body layer 3009. When a positive voltage is applied to the upper electrode 3010 with the lower electrode 3011 connected to the ground, a compressive force 3012 acts in the stacking direction and the stacked electrode is stretched.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the operating state of the drive electrode with respect to the fundamental vibration of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the drive electrode 306 that fundamentally vibrates the sensor element 301 is divided into four around the bending inflection point as indicated by the alternate long and short dash line on the arm side 305 b disposed on the weight 317 side of the drive arm 305. The side near the weight portion 317 and the diagonal position thereof are arranged.
  • a positive voltage is applied to both the pair of drive electrodes 306, a compressive force is generated and elongation occurs, and the arm side 305b tends to be bent in an S shape.
  • the weight portion 317 can be fundamentally oscillated in the X-axis direction by repeating this operation.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing a detection state of the monitor electrode with respect to the fundamental vibration of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the monitor electrode 307 that detects the fundamental vibration of the drive arm 305 has a bending inflection point at which the arm side 305 a is reversed in the bending direction with respect to the fundamental vibration. Therefore, the arm side 305a is formed in one region divided into four around the bending inflection point as shown by a one-dot chain line so as not to straddle the bending inflection point, and the arm side 305a is bent by the basic vibration.
  • a monitor signal is formed by generating electricity in response to the above.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing the detection state of the sense electrode with respect to the detection vibration of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the sense electrode 308 that forms a detection signal from the detection vibration generated in the sensor element 301 is bent in a bow shape by the Coriolis force.
  • the sense electrode 308 is provided eccentric to the right half from the central axis of the arm side 305a.
  • an extension force is applied to the sense electrode 308 provided on the right half of the arm side 305a, and a positive voltage is generated.
  • a contracting force is applied to the sense electrode 308 provided on the right half of the arm side 305a to generate a negative voltage. In this way, a detection signal is formed.
  • the basic vibration of the sensor element 301 is basically performed in the XY plane.
  • the drive electrode 306 that excites the fundamental vibration in the drive arm 305 has a laminated electrode structure of the upper electrode 3010, the lower electrode 3011, and the piezoelectric layer 3009 as described with reference to FIG. Since compressive force 3012 and tensile force 3013 generated in the stacking direction by the drive signal are used, Z-axis vibration is also excited in the stacking direction of the stacked electrodes. For this reason, an unnecessary signal excited by the Z-axis vibration is added to the detection signal output from the monitor electrode 307, and as a result, the detection accuracy of the angular velocity sensor unit is deteriorated.
  • the correction electrode 320 is provided on the wiring electrode 319 connecting the monitor electrode 307 and the electrode pad 318 provided on the support arm 316.
  • the unnecessary signal generated in the monitor electrode 307 during the Z-axis vibration is attenuated by the correction signal generated in the correction electrode 320 due to the same Z-axis vibration, and the influence of the Z-axis vibration on the monitor electrode 307 is suppressed.
  • the conditions for attenuating the unnecessary signal generated by the correction electrode 320 due to the Z-axis vibration are the reverse of the unnecessary signal generated at the monitor electrode 307 by the Z-axis vibration when the correction electrode 320 does not form a signal for the basic vibration. It is to form a potential signal. Therefore, the correction electrode 320 is formed on the support arm 316 that becomes an axis of symmetry of the basic vibration and is not easily affected, and in a portion where the deflection in the direction opposite to that of the monitor electrode 307 occurs in the Z-axis vibration. Specifically, as shown in FIG. 16, the monitor electrode 307 is disposed on the external connection portion 315 side of the arm side 305a, and the auxiliary electrode 320 is disposed on the external connection portion 315 side of the support arm 316.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing Z-axis vibration of the sensor element in the angular velocity sensor unit according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the arm side 305 a is bent in a concave shape at the portion where the monitor electrode 307 is provided, so that the contraction force acts on the monitor electrode 307. Negative voltage is generated.
  • the support arm 316 is bent in a convex shape and an extension force acts on the correction electrode 320, so that a positive voltage is generated in the correction electrode 320.
  • the unnecessary signal generated at the monitor electrode 307 due to the Z-axis vibration and the correction signal generated at the correction electrode 320 become signals of opposite potentials, and these signals are connected to the same electrode pad 318 via the wiring electrode 319 as shown in FIG. Therefore, the monitor signal output from the electrode pad 318 attenuates an unnecessary signal due to Z-axis vibration due to the correction signal.
  • the wiring electrode 319 similarly generates an unnecessary signal for the Z-axis vibration. Therefore, the detection accuracy of the angular velocity sensor unit can be further improved by designing the correction signal formed by the correction electrode 320 so that the correction signal including the unnecessary signal from the wiring electrode 319 is attenuated.
  • the correction electrode 320 does not generate an unnecessary signal with respect to the fundamental vibration, and the correction signal that attenuates the unnecessary signal generated in the monitor electrode 307 when the Z-axis vibration is generated. Generate with Therefore, the detection accuracy of the monitor signal output from the sensor element 301 to the IC 302 is increased, and the basic vibration of the sensor element 301 can be controlled by this monitor signal with high detection accuracy. As a result, the detection accuracy of the angular velocity sensor unit can be increased.
  • vibration isolation means such as TAB tape as a countermeasure against disturbance vibration in the Z-axis direction when the sensor element 301 is assembled to the package 303.
  • the present invention has the effect of increasing the detection level of the angular velocity sensor.
  • the angular velocity sensor element according to the present invention has an effect that an angular velocity sensor element having high output sensitivity can be provided. Furthermore, the present invention has an effect of improving the detection accuracy of the angular velocity sensor unit, and is therefore useful in an angular velocity sensor used for an electronic apparatus that requires a small and highly sensitive characteristic such as a navigation system.

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Abstract

　一端が固定部（９）に接続され他端が錘部（１０）に接続された駆動アーム（１１）からなる角速度センサにおいて、駆動アーム（１１）の形状を固定部（９）と錘部（１０）を結ぶ方向と直交する方向に延びるアーム辺（１１ａ）、（１１ｂ）の折り返し構造を備える。

Description

角速度センサ素子およびこれを用いた角速度センサと角速度センサユニット及びその信号検出方法
　本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサ素子およびこれを用いた角速度センサと角速度センサユニット及びその信号検出方法に関する。
　図２３は従来の角速度センサ素子の上面図である。図２３において、固定部１００１を中心として十字方向に設けられたアーム１００２ａ、１００２ｂと、この４つのアーム１００２ａ、１００２ｂのうち対称配置された一対のアーム１００２ａを検出アーム１００２ａとし、残る一対のアーム１００２ｂを支持アーム１００２ｂとする。この支持アーム１００２ｂの先端に駆動アーム１００３を設け、駆動アーム１００３を矢印で示すように振動させることで、角速度が加わり駆動アーム１００３にコリオリ力が働く。このコリオリ力に伴う応力がアーム１００２ｂを介して検出アーム１００２ａに伝達され、検出アーム１００２ａを矢印で示す方向に振動させる。そして、この振動による検出アーム１００２ａの撓みを電気信号に変換し出力する。なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
　しかしながら、このような角速度センサ素子は、駆動アーム１００３の中央部分を支持アーム１００２ｂに固定した片持ち梁構造であるため、駆動アーム１００３の振動基点となる支持アーム１００２ｂの先端部分と駆動アーム１００３の先端部分とで大きく振動速度が異なる。この振動速度に比例してコリオリ力が発生するため、駆動アーム１００３の振動基点近傍におけるコリオリ力を得ることが難しく、検出アーム１００２ａに伝達する応力が小さなものとなってしまう。
　図２４は従来の角速度センサ素子の他の上面図である。図２４において、水晶からなる正方形状の固定部２００１は、Ｘ軸方向に向かって延出される第１の延出腕２００２と第２の延出腕２００３を設けている。水晶製の第１の検出電極振動体２００４は、一端が固定部２００１に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出している。また、この第１の検出電極振動体２００４の４つの外側面には、それぞれ検出電極２００５を設けている。そして、これと同様に、固定部２００１からは第１の検出電極振動体２００４を延出した方向と反対側のＹ軸方向に第２の検出電極振動体２００６を設けており、かつ、この第２の検出電極振動体の４つの外側面にもそれぞれ検出電極２００５を設けている。
　水晶製の第１の駆動電極振動体２００７は、一端が第１の振動腕２００２に接続され、かつ、他端がＹ軸方向に向かって延出している。また、この第１の駆動電極振動体２００７の４つの外側面にはそれぞれ検出電極２００８を設けている。
　水晶製の第２の駆動電極振動体で２００９は、一端が第１の延出腕２００２に接続されるとともに、他端が第１の駆動電極振動体２００７を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出している。また、この第２の駆動電極振動体２００９の４つの外側面には、それぞれ検出電極２００８を設けている。
　水晶製の第３の駆動電極振動体２０１０は、一端が第２の延出腕２００３に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出している。また、この第３の駆動電極振動体２０１０の４つの外側面には、それぞれ検出電極２００８を設けている。
　水晶製の第４の駆動電極振動体２０１１は、一端が第２の延出腕２００３に接続されるとともに、他端が第３の駆動電極振動体２０１０を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出している。また、この第４の駆動電極振動体２０１１の４つの外側面には、それぞれ検出電極２００８を設けている。
　以上のように構成された従来の角速度センサ素子について、次にその動作を説明する。
　第１の駆動電極振動体２００７、第２の駆動電極振動体２００９、第３の駆動電極振動体２０１０および第４の駆動電極振動体２０１１のそれぞれの駆動電極２００８に交流電圧を印加することにより、駆動方向に速度Ｖで駆動振動する。そして、この第１の駆動電極振動体２００７、第２の駆動電極振動体２００９、第３の駆動電極振動体２０１０および第４の駆動電極振動体２０１１が駆動振動している状態において、角速度センサ素子を設けた平面と垂直な方向であるＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、第１の駆動電極振動体２００７、第２の駆動電極振動体２００９、第３の駆動電極振動体２０１０および第４の駆動電極振動体２０１１に、Ｆ＝２ｍｖ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力を第１の延出腕２００２および第２の延出腕２００３および固定部２００１を介して第１の検出電極振動体２００４および第２の検出電極振動体２００６に伝えることにより、それぞれの検出電極２００５から角速度に応じた出力信号を出力する。なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献２が知られている。
　しかしながら、上記従来の構成においては、第１の駆動電極振動体２００７および第２の駆動電極振動体２００９の一端を第１の延出部に固定するとともに、第３の駆動電極振動体２０１０および第４の駆動電極振動体２０１１の一端を第２の延出部２００３に固定しているため、片持ち梁構造の振動駆動をすることになる。これにより、第１の駆動電極振動体２００７、第２の駆動電極振動体２００９、第３の駆動電極振動体２０１０および第４の駆動電極振動体２０１１の自由端側の変位量は少なくなるため、発生するコリオリ力も小となり、その結果、角速度センサ素子の出力感度が小さくなってしまう。
　図２５は従来のセンサ素子を示す別の上面図である。図２５において、検出軸３００４を中心として左右対称につづら折れ形状の駆動アーム３００５を配置するとともに、この駆動アーム３００５の一主面に駆動アーム３００５をつづら折れ方向（Ｘ軸方向）に基本振動させるドライブ電極３００６と、駆動アーム３００５の基本振動状態を検出するためのモニタ電極３００７と、コリオリ力による検出振動から検出信号を形成するセンス電極３００８を適宜設けた構造としている。
　なお、センサ素子３００１の検出信号は基本振動の振幅に比例するため、この振幅を一定に保つことが重要である。そこで、センサ素子３００１の基本振動状態を検出するモニタ電極３００７から出力されるモニタ信号に基づき、ドライブ電極３００６に印加する駆動信号の信号レベルが制御されている。
　図２６は従来のセンサ素子に設ける電極の動作原理を示す模式図である。図２６において、駆動アーム３００５に設けられる各電極は、圧電体層３００９を上部電極３０１０と下部電極３０１１で挟んだ積層電極構造である。下部電極３０１１を接地し上部電極３０１０に正電圧を印加することにより、積層電極に積層方向の圧縮力３０１２が発生して積層電極に伸びが生じる。これとは逆に、負電圧を印加することにより、積層電極に積層方向の引張力３０１３が発生して積層電極に縮みが生じる。このような伸縮作用を利用してセンサ素子３００１の駆動アーム３００５をＸ軸方向に基本振動させている。なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献３が知られている。
　しかしながら、このＸ軸方向の基本振動を得るためにドライブ電極３００６の伸縮作用を利用する場合、ドライブ電極３００６に対して積層方向の力である圧縮力３０１２や引張力３０１３が同時に働く。よって、Ｘ軸方向の基本振動の他にＺ軸方向（検出軸方向）に不要な振動（以下、Ｚ軸振動と称す）を励起してしまう。
　そして、このＺ軸振動は、駆動アーム３００５の基本振動を検出するするモニタ電極３００７にも不要な信号を形成するので、モニタ電極３００７から出力されるモニタ信号の出力レベルを変動させてしまう。その結果、基本振動を制御する駆動信号のレベル制御に悪影響を及ぼし、角速度センサユニットの検出精度を劣化させてしまう。
特開２００３－３３７０２５号公報 特開２００１－２６４０６７号公報 特開２００６－２７５８７８号公報
　本発明は、角速度センサ素子の検出レベルを向上させる。また、出力感度が大きくなる角速度センサ素子を提供する。さらに、角速度センサユニットの検出精度の劣化を抑制する。
　本発明は角速度センサ素子の構造を、固定部と錘部の間を駆動アームで接続するとともに、錘部を固定部と錘部を結ぶ方向に振動させる駆動電極と、駆動アームに加わる角速度を検出する検出電極とを駆動アームに設け、駆動アームの形状を錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたものである。
　この構成により本発明は、角速度センサ素子の検出レベルを向上できる。
　また、本発明は、固定部と、この固定部に一端が接続されるとともに上面の辺側に少なくとも１つの検出電極を設けかつ側面にＧＮＤ電極を設けた四角柱状の検出電極振動体と、一端が検出電極振動体の他端に接続されるとともに４面のうちの２面に少なくとも一対の駆動電極を設けた四角柱状の駆動電極振動体と、この駆動電極振動体の他端に接続された錘部とを備え、検出電極振動体と駆動電極振動体との接続部に屈曲部を設けたものである。
　この構成によれば、検出電極振動体と駆動電極振動体との接続部に屈曲部を設けているため、この屈曲部を支点として駆動電極振動体と検出電極振動体の双方が大きく撓む。これにより、検出電極振動体に発生するコリオリ力が大きくなるため、検出電極振動体における検出電極から発生する出力信号は大きくなる。その結果、角速度センサ素子の出力感度が大きくなる。
　さらに、本発明は、角速度を検出する振動型のセンサ素子およびそれを制御するＩＣを内蔵するパッケージとからなる角速度センサユニットにおいて、センサ素子は駆動アームにドライブ電極、モニタ電極、センス電極を設けるとともに、駆動アームを支持する支持アームに設けられたモニタ電極の配線電極に補正電極を設け、Ｚ軸振動によりモニタ電極に形成された不要信号を、同じＺ軸振動により補正電極に形成された補正信号で減衰させる構造を備える。
　このような構成により、角速度センサユニットの検出精度の劣化を抑制することができる。
図１は本発明の実施の形態１に係る角速度センサを示す分解斜視図である。 図２は本発明の実施の形態１に係る角速度センサを構成する角速度センサ素子を示す上面図である。 図３は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の駆動振動状態を示す模式図である。 図４は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の検出振動状態を示す模式図である。 図５は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子に設けられた電極の伸縮原理を示す模式図である。 図６は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の駆動原理を示す模式図である。 図７は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の検出原理を示す模式図である。 図８は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の駆動振動時の検出電極のノイズ低減原理を示す模式図である。 図９は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の形状寸法図である。 図１０は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子の上面図である。 図１１は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子における検出電極振動体および駆動電極振動体の断面図である。 図１２は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子における検出電極振動体およびモニタ電極振動体の側断面図である。 図１３は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子が駆動振動する状態を示す上面図である。 図１４は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子にコリオリ力が発生することにより動作する状態を示す上面図である。 図１５は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットを示す分解斜視図である。 図１６は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子を示す上面図である。 図１７は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の基本振動状態を示す模式図である。 図１８は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の検出振動状態を示す模式図である。 図１９は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の基本振動に対するドライブ電極の動作状態を示す模式図である。 図２０は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の基本振動に対するモニタ電極の検出状態を示す模式図である。 図２１は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の検出振動に対するセンス電極の検出状態を示す模式図である。 図２２は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子のＺ軸振動を示す模式図である。 図２３は従来の角速度センサ素子の上面図である。 図２４は従来の角速度センサ素子の他の上面図である。 図２５は従来のセンサ素子を示す別の上面図である。 図２６は従来のセンサ素子に設ける電極の動作原理を示す模式図である。
　（実施の形態１）
　以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。
　図１は本発明の実施の形態１に係る角速度センサを示す分解斜視図である。図１において、パッケージ４内に角速度センサ素子５と、この角速度センサ素子５に駆動信号を印加する駆動制御回路および角速度センサ素子５から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＡＳＩＣ６とが配置されている。そして、パッケージ４の開口はリッド７で封口された構造となっている。なお、ＡＳＩＣ６および角速度センサ素子５は、防振対策用のＴＡＢテープ８を介してパッケージ４に取り付けられている。
　図２は本発明の実施の形態１に係る角速度センサを構成する角速度センサ素子を示す上面図である。図２において、角速度センサ素子５は、固定部９と、この固定部９を挟む両側に錘部１０を対称配置し、それぞれの錘部１０を一対の駆動アーム１１で接続した形状となっている。そして、駆動アーム１１上には後述する駆動電極１２、検出電極１３及びモニタ電極１４が適宜配置され、固定部９に設けられたパッド電極１５と、接続配線１６を介して接続されている。なお、それぞれの駆動アーム１１は、固定部９と錘部１０を結ぶ方向（Ｘ軸方向）と直交する向き（Ｙ軸方向）に延びるアーム辺１１ａ，１１ｂの折り返し構造としている。
　図３は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の駆動振動状態を示す模式図である。図４は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の検出振動状態を示す模式図である。図３、図４において、ＡＳＩＣ６で形成された駆動信号をパッド電極１５、接続配線１６を介して駆動電極１２に駆動信号を印加することで、図３に示すよう錘部１０をＸ軸方向に伸縮するように振動させる。この駆動振動状態において角速度センサ素子５の基板面（ＸＹ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に回転軸を有する角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により駆動アーム１１が図４に示すようにＹ軸方向に振動する。
　そして、この検出振動による駆動アーム１１の変形を図２に示す検出電極１３で検知し電気信号に変換し、この検出信号を接続配線１６、パッド電極１５を介してＡＳＩＣ６に出力する構造となっている。また、モニタ電極１４は駆動アーム１１の振幅や駆動周期を検出してその情報をＡＳＩＣ６にフィードバックさせ検出精度を制御するために設けている。
　図５は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子に設けられた電極の伸縮原理を示す模式図である。角速度センサ素子５はＳｉからなる基板上に駆動電極１２、検出電極１３、モニタ電極１４などを設けられた構造である。図５において、積層電極は基板１７上に設けられたＰｔからなる下部電極１８と、この下部電極１８上に設けられたＰＺＴからなる圧電体層１９と、この圧電体層１９上に設けられたＡｕからなる上部電極２０とからなる。下部電極１８をグランド接続した状態で上部電極２０に正電圧を印加すると、電極の積層方向に対して圧縮力が働く。下部電極１８が基板１７に固定された状態でこの圧縮力を受けることにより、電極が基板１７の面内方向で伸びが生じ、上部電極２０に負電圧を印加すると電極の積層方向に対して引張力が働く。下部電極１８が基板１７に固定された状態でこの引張力を受けることにより、電極が基板１７の面内方向で縮みが生じる。また、この逆の現象として、駆動アーム１１を撓ませ、電極を縮ませれば負電圧が生じ、電極を伸ばせば正電圧が生じる。なお、上部電極２０と圧電体層１９の間や下部電極１８と圧電体層１９との間には特に図示していないが層間の密着力を高めるためＴｉからなる密着層が介在している。
　図６は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の駆動原理を示す模式図である。この角速度センサ素子５を駆動させるにあたっては、図６に示されるよう錘部１０側に接続されたアーム辺１１ｂを破線２１ａ、２１ｂで示すよう縦横の中心軸（縦の中心軸はアーム辺１１ｂの延伸方向の中心軸２１ａとし、横の中心軸はアーム辺１１ｂの撓みの変曲点を含む延伸方向と直交する中心軸２１ｂとする）で４分割し、駆動電極１２を錘部１０に近接する側とその対角位置に配置する。これらを同じ電位の駆動信号を印加するように制御することにより、共に正電圧を印加すれば共に圧縮力が発生し伸びが生じる。アーム辺１１ｂがＳ字状に撓もうとし、負電圧を印加すれば共に引張応力が発生し縮みが生じ、アーム辺１１ｂが逆に撓もうとする。この動作を繰り返すことにより、錘部１０を駆動振動させる。
　なお、駆動アーム１１を錘部１０の振動方向と直交するアーム辺１１ａ、１１ｂの折り返し構造とし、このアーム辺１１ａ、１１ｂの撓みにより駆動アーム１１の振幅を確保した。このような構成により、図２３に示す従来の片持ち梁構造の駆動アーム１００３の振幅より多くの振幅が得られるとともに、アーム辺１１ａ、１１ｂが振動方向と直交する方向に延出していることから、個々のアーム辺１１ａ、１１ｂの全体で撓み振動する。よって、駆動アーム１１内での振動速度の差が小さく、従来の先端部分と固定端部分とで振動速度の差が大きい構造に比べコリオリ力を受けやすい。ゆえに、角速度センサ素子５の検出レベルが向上する。
　また、上述したように固定部９に対して錘部１０を駆動振動させることにより、振動面（ＸＹ平面）に垂直な軸（Ｚ軸）を中心とする角速度により駆動アーム１１にコリオリ力が働き検出振動を起こす。このときに生じるアーム辺１１ａの撓みを検出電極１３にて電気信号に変換してＡＳＩＣ６の検出回路に出力する。また、この角速度センサ素子５をパッケージ４に収納した場合パッケージ４の実装面と角速度センサ素子５の基板面が一致し、角速度センサ素子５における角速度の検出軸が実装面に対して直交する方向となる。従って、従来の角速度センサと同様に角速度センサを実装面に対して低背化した構造としている。
　図７は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の検出原理を示す模式図である。この角速度センサ素子５において図４に示す検出振動から検出信号を形成するにあたっては、図７に示すように検出電極１３をアーム辺１１ａの延伸方向の中心軸２２ａに対して偏芯させた位置に配置することで、コリオリ力によるアーム辺１１ａの撓み成分を効率よく電気信号に変換できる。
　駆動アーム１１を構成するアーム辺１１ａは、図４で示したように、角速度が印加された状態で弓なりに撓むので、この弓なりの撓みに対して検出信号を形成する必要がある。図７に示すように検出電極１３がアーム辺１１ａの中心軸２２ａより右側に偏芯させて設ければ、アーム辺１１ａが図７中左側に撓む場合、アーム辺１１ａの右半分には検出電極１３を伸ばす力が加わるので正電圧が起電される。また、アーム辺１１ａが図７中右側に撓む場合、アーム辺１１ａの右半分には検出電極１３を縮ませる力が加わるので負電圧が起電される。このようにして検出信号を形成することができる。
　なお、アーム辺１１ａが弓なりに撓む際、アーム辺１１ａの中心軸２２ａを境に一方側が電極を伸ばす力が働けば他方側は電極を縮ませる力が働く。検出電極１３はアーム辺１１ａの延出方向における中心軸２２ａに対して左右均等の幅でパターンニングすれば、左半分の圧縮応力により形成された負電圧と右半分で形成された正電圧とが検出電極１３内でキャンセルしてしまい検出信号が出力されなくなる。
　検出電極１３内でのキャンセル作用をより小さくして更に大きな検出信号を得るには、検出電極１３が中心軸２２ａを跨ぐことなく片側に偏芯させて配置することが望ましい。
　図８は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の駆動振動時の検出電極のノイズ低減原理を示す模式図である。検出電極１３は、角速度が印加されていない基本状態つまり駆動振動している状態において検出電極１３から信号を出力することはノイズ信号を出力することとなる。よって、基本状態におけるアーム辺のＳ字撓みに対して検出電極１３内で形成された信号をキャンセルするため、図８に示すように検出電極１３をアーム辺１１ａの撓み変曲点２２ｂを中心として延出方向に対称形状としている。
　この構成によれば、駆動振動によりアーム辺１１ａがＳ字状に撓んだ際、この撓み変曲点２２ｂを境に検出電極１３に生じる応力が圧縮応力と伸張応力に分かれる。そして、これらの電極形状が対称形状であることから撓みにより生じる正電圧と負電圧も等しくなる。その結果、駆動振動により生じるＳ字撓みによる信号の発生が抑制でき、角速度センサ素子の検出精度を高めることが出来る。
　なお、駆動電極１２の配置については、検出電極１３の近傍に用いると駆動電極１２に印加される駆動信号が検出電極１３と不要結合しノイズ信号を形成してしまう。よって、駆動電極１２は検出電極１３が設けられたアーム辺１１ａと異なるアーム辺１１ｂに設けることが望ましい。
　また、駆動アーム１１をアーム辺１１ａ，１１ｂの折り返し構造としたことにより、１つの錘部１０に１つの駆動アーム１１とした構造では振動方向が安定し難くなる。そこで、１つの錘部１０に対して駆動アーム１１を並設し、一方の駆動アーム形状１１を他方の駆動アーム１１の対称形状とすることにより、駆動振動の方向性を高めることが出来る。なお、各駆動アーム１１に設けられる駆動電極１２についても同様に対称配置することで、より駆動振動の方向性を高めることができる。
　さらに、図２に示すように、１つの錘部１０に対して一対の駆動アーム１１を並設することにより、駆動電極１２に接続された配線電極１６の引き回し経路と、検出電極１３に接続された配線電極１６の引き回し経路とを異なる駆動アーム１１上で配線出来る。よって、駆動電極１２を含む駆動信号経路と検出電極１３を含む検出信号経路の不要結合を低減でき角速度センサ素子の検出精度を高めることができる。
　検出電極１３を固定部９側のアーム辺１１ａに設けることにより、検出信号の出力経路を短くできるので出力経路におけるノイズ発生をより抑制できる。また、駆動電極１２を他方の駆動アーム１１における錘部１０側のアーム辺１１ｂに設けることにより、より検出電極１３と駆動電極１２との間隔を大きくできるため、これらの電極間の不要結合をさらに低減できる。
　この角速度センサ素子５は各錘部１０に接続された一対の駆動アーム１１が支持される固定部９を駆動アーム１１ごとに分離した構造である。このように一対の駆動アーム１１の支持部分を分割することにより、一つの錘部１０に接続された一対の駆動アーム１１が巨視的に両持ち梁構造となり、さらに、駆動アーム１１と固定部９の接続部分の柔軟性を高められる。よって、検出振動時の振幅を大きくすることができ、結果として角速度センサ素子５の検出レベルをさらに高めることができる。
　図９は本発明の実施の形態１に係る角速度センサ素子の形状寸法図である。図９において、角速度センサ素子５のＳｉ基板１７は、厚みｔが０．１ｍｍで、最外形の幅ａが１．００４ｍｍ、幅ｂが２．２ｍｍである。固定部９は中央で分割されたＴ字形状であり、中央部分の分割幅ｃが０．０５５ｍｍ、幅ｄが０．１３４ｍｍ、幅ｅが０．１２５ｍｍである。各駆動アーム１１は折り返し構造を形成するアーム辺１１ａ、１１ｂの幅ｆが１．８４ｍｍ、幅ｇが０．６ｍｍ、ギャップ幅ｈが０．０５５ｍｍである。錘部１０は幅ｉが０．１５ｍｍ、幅ｊが１．５８ｍｍである。また、アーム辺１１ｂと錘部１０の接続部分は幅ｋが０．０５５ｍｍ、幅ｌが０．２４ｍｍである。アーム辺１１ａと固定部９の接続は分割部分をはさんで幅ｍが０．２４ｍｍである。なお、アーム辺１１ａ，１１ｂの折り返し部分等の角部においては振動による応力集中による破損を防止するためフィレット形状としており、各内側フィレット半径ｎを０．０２ｍｍ、外側フィレット半径ｏを０．０４ｍｍとしている。
　上述した角速度センサにおいては、角速度センサ素子５としてＳｉからなる基板１７上にＰＺＴを用いた積層電極を配置した構造を挙げて説明した。この他に、基板１７を水晶などの圧電体で構成し基板１７の対向面に対向電極を形成した構造としても、角速度センサ素子５における駆動振動の振幅を大きくでき、検出レベルが高められる構成に変わりはなく同様の効果を奏することが出来る。
　（実施の形態２）
　以下、本発明の実施の形態２における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
　図１０は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子の上面図である。図１１は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子における検出電極振動体および駆動電極振動体の断面図である。図１２は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子における検出電極振動体およびモニタ電極振動体の側断面図である。
　図１０～図１２において、Ｔ字形状の水晶からなる第１の固定部２２１の上面には駆動電極ランド２２２、一対の検出電極ランド２２３およびＧＮＤ電極ランド２２４を設けている。また、第１の固定部２２１と同一平面上にはＴ字形状の水晶からなる第２の固定部２２５を設けている。そして、この第２の固定部２２５の上面には一対の駆動電極ランド２２６ａ、モニタ電極ランド２２６ｂおよびＧＮＤ電極ランド２２７を設けている。
　第１の固定部２２１には、第１の検出電極振動体２２８における第１の検出電極２２９と第２の検出電極振動体２３５における第２の検出電極２３６と電気的に接続される検出電極ランド２２３と、第１の駆動電極振動体２３１における第１の駆動電極２３２ａと第２の駆動電極振動体２３８における第２の駆動電極２３２ｂに電気的に接続される駆動電極ランド２２２とを設けている。さらに第２の固定部２２５には、第３の駆動電極振動体２４３における第１の駆動電極２３２ａと第４の駆動電極振動体２４７における第２の駆動電極２３２ｂに電気的に接続される駆動電極ランド２２６ａを設けている。このような構成にすれば、外部回路（図示せず）との信号の入出力を容易に行うことができる。
　水晶製の第１の検出電極振動体２２８は、一端が第１の固定部２２１に接続され、そして、図１１に示すように、上面の辺側に第１の検出電極２２９を設けるとともに、側面にＧＮＤ電極２３０を設けている。水晶製の第１の駆動電極振動体２３１は、一端が第１の検出電極振動体２２８における他端に接続され、そして、両側面に一対の第１の駆動電極２３２ａを設けるとともに、上下面に一対の第２の駆動電極２３２ｂを設けている。また、第１の検出電極振動体２２８と第１の駆動電極振動体２３１との接続部には折返し形状の屈曲部２３３を設けることにより、第１の検出電極振動体２２８と第１の駆動電極振動体２３１とが互いに相似形状に変形するように構成されている。
　第１の錘部２３４は、第１の駆動電極振動体２３１の他端に接続されている。水晶製の第２の検出電極振動体２３５は、一端が第１の固定部２２１と、第１の検出電極振動体２２８を設けた側と反対側に接続されている。そして、図１１に示すように、上面の辺側に第２の検出電極２３６を設けるとともに、側面にＧＮＤ電極２３７を設けている。水晶製の第２の駆動電極振動体２３８は、一端が第２の検出電極振動体２３５における他端に接続され、そして、両側面に一対の第１の駆動電極２３２ａを設けるとともに、上下面に一対の第２の駆動電極２３２ｂを設けている。第２の錘部２３９は第２の駆動電極振動体２３８の他端に接続されている。
　水晶製の第１のモニタ電極振動体２４０は、一端が第２の固定部２２５に接続され、そして、図１２に示すように、一側面に第１のモニタ電極２４１を設けるとともに、上下面に一対のＧＮＤ電極２４２を設けている。水晶製の第３の駆動電極振動体２４３は、一端が第１のモニタ電極振動体２４０における他端に接続され、そして、両側面に一対の第１の駆動電極２３２ａを設け、かつ、上下面に一対の第２の駆動電極２３２ｂを設けている。また、この第３の駆動電極振動体２４３の他端には第２の錘部２３９を接続している。水晶製の第２のモニタ電極振動体２４４は、一端が第２の固定部２２５に接続され、そして、図１２に示すように、一側面に第２のモニタ電極２４５を設けるとともに、上下面にＧＮＤ電極２４６を設けている。水晶製の第４の駆動電極振動体２４７は、一端が第２のモニタ電極振動体２４４における他端に接続され、そして、両側面に一対の第１の駆動電極２３２ａを設けるとともに、上下面に一対の第２の駆動電極２３２ｂを設けている。また、第４の駆動電極振動体２４７の他端は第１の錘部２３４と接続している。さらに、第１の駆動電極振動体２３１、第２の駆動電極振動体２３８、第３の駆動電極振動体２４３および第４の駆動電極振動体２４７の各々は、それぞれに設けた一対の第１の駆動電極振動体２３１に向かって分極している。
　以上のように構成された本発明の実施の形態２における角速度センサについて、次にその組立方法を説明する。
　まず、第１の固定部２２１、第１の検出電極振動体２２８、第１の駆動電極振動体２３１、第１の錘部２３４、第２の検出電極振動体２３５、第２の駆動電極振動体２３８、第２の錘部２３９、第３の駆動電極振動体２４３、第１のモニタ電極振動体２４０、第２の固定部２２５、第２のモニタ電極振動体２４４および第４の駆動電極振動体２４７を一体に構成した角速度センサ素子における基体を準備する。
　次に、第１の駆動電極振動体２３１、第２の駆動電極振動体２３８、第３の駆動電極振動体２４３および第４の駆動電極振動体２４７の各々に、金を蒸着することにより第１の駆動電極２３２ａおよび第２の駆動電極２３２ｂを形成する。
　次に、金を蒸着することにより第１の検出電極振動体２２８に第１の検出電極２２９およびＧＮＤ電極２３０を形成する。また、金を蒸着することにより第２の検出電極振動体２３５に第２の検出電極２３６およびＧＮＤ電極２３７を形成する。
　次に、金を蒸着することにより第１のモニタ電極振動体２４０に第１のモニタ電極２４１およびＧＮＤ電極２４２を形成する。また、金を蒸着することにより第２のモニタ電極振動体２４４に、第２のモニタ電極２４５およびＧＮＤ電極２４６を形成する。
　最後に、金を蒸着することにより第１の固定部２２１に駆動電極ランド２２２、検出電極ランド２２３およびＧＮＤ電極ランド２２４を形成する。また、金を蒸着することにより第２の固定部２２５に駆動電極ランド２２６ａ、モニタ電極ランド２２６ｂおよびＧＮＤ電極ランド２２７を形成する。
　以上のようにして組み立てられた本発明の実施の形態２における角速度センサ素子について、次にその動作を説明する。
　図１３は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子が駆動振動する状態を示す上面図である。第１の駆動電極振動体２３１、第２の駆動電極振動体２３８、第３の駆動電極振動体２４３および第４の駆動電極振動体２４７の各々の第１の駆動電極２３２ａおよび第２の駆動電極２３２ｂに交流電圧を印加する。
　このとき、第１の駆動電極２３２ａと第２の駆動電極２３２ｂとの間に流れる電流が、第１の駆動電極振動体２３１、第２の駆動電極振動体２３８、第３の駆動電極振動体２４３および第４の駆動電極振動体２４７の分極の方向と同じ方向の場合には引張応力が発生する。一方、第１の駆動電極２３２ａと第２の駆動電極２３２ｂとの間に流れる電流が、第１の駆動電極振動体２３１、第２の駆動電極振動体２３８、第３の駆動電極振動体２４３および第４の駆動電極振動体２４７の分極の方向と反対の方向の場合には、圧縮応力が発生する。
　そうすると、交流電圧の位相に応じて、図１３に示すように、角速度センサ素子が第１の錘部２３４と第２の錘部２３９とを結ぶ方向の駆動方向に速度Ｖで駆動振動する。この駆動振動は屈曲部２３３を介して第１の検出電極振動体２２８および第２の検出電極振動体２３５にも伝わり、そしてこの第１の検出電極振動体２２８および第２の検出電極振動体２３５も駆動方向の固有振動数で駆動方向に速度Ｖで駆動振動する。
　このとき、第１の検出電極振動体２２８と第１の駆動電極振動体２３１との接続部に屈曲部２３３を設けるとともに、第２の検出電極振動体２３５と第２の駆動電極振動体２３８との接続部にも屈曲部２３３を設けている。よって、この屈曲部２３３を支点として第１の検出電極振動体２２８、第１の駆動電極振動体２３１、第２の検出電極振動体２３５、第２の駆動電極振動体２３８の双方が大きく撓む。これにより、第１の検出電極振動体２２８および第２の検出電極振動体２３５に発生するコリオリ力が大きくなる。ゆえに、第１の検出電極振動体２２８における第１の検出電極２２９および第２の検出電極振動体２３５における第２の検出電極２３６から発生する出力信号は大きくなる。その結果、角速度センサ素子の出力感度が大きくなる。
　図１４は本発明の実施の形態２に係る角速度センサ素子にコリオリ力が発生することにより動作する状態を示す上面図である。第１の検出電極振動体２２８および第２の検出電極振動体２３５が駆動振動している状態において、角速度センサ素子を設けた平面と垂直な方向を中心軸として角速度センサ素子が角速度ωで回転すると、図１４に示すように、第１の検出電極振動体２２８および第２の検出電極振動体２３５にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力により、第１の検出電極振動体２２８における第１の検出電極２２９および第２の検出電極振動体２３５における第２の検出電極２３６に発生する電荷を、第１の固定部２２１における一対の検出電極ランド２２３を介して外部に出力する。その結果として、角速度を検出する。
　また、上記本発明の実施の形態２においては、第１の検出電極振動体２２８と第１の駆動電極振動体２３１との接続部を折返し形状とするとともに、第２の検出電極振動体２３５と第２の駆動電極振動体２３８との接続部も折返し形状としている。よって、第１の検出電極振動体２２８と第１の駆動電極振動体２３１とが相似形状に変形するとともに、第２の検出電極振動体２３５と第２の駆動電極振動体２３８も相似形状に変形する。これにより、第１の検出電極振動体２２８、第１の駆動電極振動体２３１、第２の検出電極振動体２３５および第２の駆動電極振動体２３８の双方の振動駆動は安定し、コリオリ力により発生する出力信号の精度が向上する。
　（実施の形態３）
　以下、本発明の角速度センサユニットについて図を用いて説明する。
　図１５は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットを示す分解斜視図である。図１５において、パッケージ３０３の内部に角速度を検出する振動型のセンサ素子３０１と、このセンサ素子３０１に駆動信号を印加する駆動制御回路およびセンサ素子３０１から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＩＣ３０２を配置し、パッケージ３０３の開口をリッド３１４で封口している。
　図１６は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子を示す上面図である。図１６において、センサ素子３０１は、外部接続部３１５およびその中央部分からセンサ素子３０１の中心部分に向けて延出された支持アーム３１６と、この支持アーム３１６を挟むよう錘部３１７を対称配置し、それぞれの錘部３１７を一対の駆動アーム３０５で接続した形状としている。駆動アーム３０５上には後述するドライブ電極３０６、センス電極３０８及びモニタ電極３０７を配置し、外部接続部３１５に設けた電極パッド３１８と配線電極３１９を介して接続している。なお、支持アーム３１６の先端部分と錘部３１７を接続する各駆動アーム３０５は、Ｙ軸方向に延びる複数のアーム辺３０５ａ、３０５ｂを折り返し接続したつづら折れ構造としている。
　図１７は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の基本振動状態を示す模式図である。図１８は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の検出振動状態を示す模式図である。ＩＣ３０２から出力された駆動信号を電極パッド３１８、配線電極３１９を介してドライブ電極３０６に駆動信号を印加することにより、図１７に示すように錘部３１７をＸ軸方向に伸縮するように基本振動させている。そして、この基本振動の状態においてＺ軸方向回りの角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により駆動アーム３０５が図１８に示すようにＹ軸方向に振動する。このＹ軸方向の振動による駆動アーム３０５の変形をセンス電極３０８で検知し電気信号に変換し、この検出信号を配線電極３１９、電極パッド３１８を介してＩＣ３０２に出力する。また、モニタ電極３０７は駆動アーム３０５の振幅や駆動周期を検出してその情報をＩＣ３０２にフィードバックして駆動信号を制御するために設けている。
　センサ素子３０１には、Ｓｉからなる基板上に上述したドライブ電極３０６、センス電極３０８、モニタ電極３０７が設けられている。各電極の構造は、図２６を用いて説明したように、基板上に設けられたＰｔからなる下部電極３０１１と、この下部電極３０１１上に設けられたＰＺＴからなる圧電体層３００９と、この圧電体層３００９上に設けられたＡｕからなる上部電極３０１０とからなる積層電極構造である。下部電極３０１１をグランド接続した状態で上部電極３０１０に正電圧を印加すると、積層方向に圧縮力３０１２が働き積層電極に伸びが生じる。一方、上部電極３０１０に負電圧を印加すると、積層方向に引張力３０１３が働き積層電極に縮みが生じる。また、これとは逆に駆動アーム３０５を撓ませて積層電極を縮ませれば負電圧が生じ、積層電極を伸ばせば正電圧が生じる。
　図１９は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の基本振動に対するドライブ電極の動作状態を示す模式図である。図１９において、センサ素子３０１を基本振動させるドライブ電極３０６は、駆動アーム３０５の錘部３１７の側に配置されたアーム辺３０５ｂを一点鎖線で示すように撓みの変曲点を中心として４分割して錘部３１７に近接する側とその対角位置に配置されている。これら一対のドライブ電極３０６に対して共に正電圧を印加することで共に圧縮力が発生し伸びが生じてアーム辺３０５ｂがＳ字状に撓もうとする。一方、共に負電圧を印加することで共に引張力が発生し縮みが生じてアーム辺３０５ｂが逆に撓もうとする。よって、この動作を繰り返すことにより錘部３１７をＸ軸方向に基本振動させることが出来る。
　図２０は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の基本振動に対するモニタ電極の検出状態を示す模式図である。図２０において、駆動アーム３０５の基本振動を検出するモニタ電極３０７は、アーム辺３０５ａが基本振動に対して撓み方向が反転する撓みの変曲点を有する。そこで、この撓み変曲点を跨がないようアーム辺３０５ａを一点鎖線で示すように撓みの変曲点を中心として４分割した内の１つの領域に形成し、基本振動によるアーム辺３０５ａの撓みに応じ起電することによりモニタ信号を形成する。
　図２１は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子の検出振動に対するセンス電極の検出状態を示す模式図である。図２１において、このセンサ素子３０１に生じる検出振動から検出信号を形成するセンス電極３０８は、コリオリ力によりアーム辺３０５ａの全体が弓なりに撓む。この弓なりの撓みに対して検出信号を形成するため、センス電極３０８をアーム辺３０５ａの中心軸より右側半分に偏芯させて設けている。アーム辺３０５ａが図２１中において左側に撓む場合にはアーム辺３０５ａの右半分に設けたセンス電極３０８に対して伸びの力が加わり、正電圧が生じる。また、アーム辺３０５ａが図２１中において右側に撓む場合にはアーム辺３０５ａの右半分に設けたセンス電極３０８に対して縮みの力が加わり負電圧が生じる。このようにして検出信号を形成する。
　この角速度センサユニットで角速度を検出するにあたっては、センサ素子３０１の基本振動がＸＹ平面内で行われることが基本となる。駆動アーム３０５に基本振動を励起させるドライブ電極３０６が、図２６で説明したように、上部電極３０１０、下部電極３０１１と圧電体層３００９の積層電極構造である。駆動信号により積層方向に生じる圧縮力３０１２、引張力３０１３を利用しているため積層電極の積層方向にもＺ軸振動が励起されてしまう。このため、モニタ電極３０７から出力される検出信号にＺ軸振動により励起された不要信号が付加されてしまい、結果的に角速度センサユニットの検出精度の劣化に繋がっていた。
　そこで、本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおいては、支持アーム３１６に設けられたモニタ電極３０７と電極パッド３１８を接続する配線電極３１９に補正電極３２０を設けている。そして、Ｚ軸振動時にモニタ電極３０７に生じる不要信号を同じＺ軸振動で補正電極３２０に生じる補正信号で減衰させ、モニタ電極３０７に対するＺ軸振動の影響を抑制する。
　補正電極３２０によりＺ軸振動で生じる不要信号を減衰させる条件は、補正電極３２０が基本振動に対して信号の形成を行わず、かつ、Ｚ軸振動でモニタ電極３０７に生じる不要信号に対して逆電位の信号を形成することである。よって、補正電極３２０は、基本振動の対称軸となりその影響を受けにくい支持アーム３１６上で、かつ、Ｚ軸振動においてモニタ電極３０７の撓みと逆方向の撓みが生じる部分に形成されている。具体的には、図１６に示すようにモニタ電極３０７をアーム辺３０５ａの外部接続部３１５側に配置し、補助電極３２０を支持アーム３１６の外部接続部３１５側に配置している。
　図２２は本発明の実施の形態３に係る角速度センサユニットにおけるセンサ素子のＺ軸振動を示す模式図である。図２２において、Ｚ軸振動により錘部３１７が下方に振動した場合、モニタ電極３０７が設けられた部分はアーム辺３０５ａが凹状に撓みモニタ電極３０７に対して縮みの力が働くためモニタ電極３０７に負電圧が生じる。また、補正電極３２０が設けられた部分は支持アーム３１６が凸状に撓み補正電極３２０に対して伸びの力が働くため補正電極３２０に正電圧が生じる。
　Ｚ軸振動によりモニタ電極３０７に生じる不要信号と補正電極３２０で生じる補正信号は逆電位の信号となり、これらの信号を図１６に示すよう配線電極３１９を介して同じ電極パッド３１８に接続する。よって、電極パッド３１８から出力されるモニタ信号はＺ軸振動による不要信号が補正信号により減衰する。
　モニタ電極３０７の他に、配線電極３１９においても同様にＺ軸振動に対して不要信号が形成される。ゆえに、補正電極３２０で形成する補正信号はこの配線電極３１９による不要信号を含め減衰させるように電極設計することにより、より角速度センサユニットの検出精度を向上させることができる。
　このように、このセンサ素子３０１では基本振動に対して補正電極３２０が不要な信号を生成せず、Ｚ軸振動が生じた際にモニタ電極３０７に生じる不要信号を減衰させる補正信号を補正電極３２０で生成する。よって、センサ素子３０１からＩＣ３０２に出力されるモニタ信号の検出精度が高まり、この検出精度の高いモニタ信号によりセンサ素子３０１の基本振動を制御することができる。その結果、角速度センサユニットの検出精度を高めることができる。
　なお、このようにＺ軸振動に対する不要信号を抑制出来ることから、センサ素子３０１をパッケージ３０３に組み付ける際にＺ軸方向の外乱振動対策としてのＴＡＢテープ等の防振手段を排除することが可能となる。
　本発明は、角速度センサの検出レベルを高めるという効果を有する。
　また、本発明に係る角速度センサ素子は、出力感度の大きな角速度センサ素子を提供することができるという効果を有する。さらに、本発明は、角速度センサユニットの検出精度を高めるという効果を有する、従って、特にナビゲーションシステムなどの小型で高感度な特性を要求する電子機器に用いる角速度センサにおいて有用である。
５　　角速度センサ素子
９，２２１，２２５　　固定部
１０，２３４，２３９，３１７　　錘部
１１，３０５　　駆動アーム
１１ａ，１１ｂ　　アーム辺
１２，２３１ａ，２３１ｂ　　駆動電極
１３，２２９，２３６　　検出電極
２２２，２２３，２２４，２２６ａ，２２６ｂ，２２７　　電極ランド
２２８，２３５　　検出電極振動体
２３１，２３８，２４３，２４７　　駆動電極振動体
２３３　　屈曲部
３０１　　センサ素子
３０２　　ＩＣ
３０３　　パッケージ
３０６　　ドライブ電極
３０７　　モニタ電極
３０８　　センス電極
３１５　　外部接続部
３１６　　支持アーム
３１８　　電極パッド
３１９　　配線電極
３２０　　補正電極

Claims (16)

  1. 固定部と、
    前記固定部に一端が支持された駆動アームと、
    前記駆動アームの他端に支持された錘部と、
    前記駆動アームに設けられて前記固定部と前記錘部を結ぶ方向に前記錘部を振動させる駆動電極と、
    前記駆動アームに設けられて前記駆動アームに加わる角速度を検出する検出電極と、を備え、
    前記駆動アームの形状を前記錘部の振動方向と直交する方向に延びるアーム辺の折り返し構造としたことを特徴とする
    角速度センサ素子。
  2. 一つの前記錘部に対して一対の前記駆動アームを並設するとともに、一方の前記駆動アームの形状を他方の前記駆動アームの対称形状としたことを特徴とする
    請求項１に記載の角速度センサ素子。
  3. 前記固定部を一方の前記駆動アームの接続部分と他方の前記駆動アームの接続部分とで分割したことを特徴とする
    請求項２に記載の角速度センサ素子。
  4. 前記アーム辺の折り返し部分における角部をフィレット形状としたことを特徴とする
    請求項１に記載の角速度センサ素子。
  5. 前記検出電極は、前記アーム辺の延伸方向の中心軸に対して偏芯した位置に配置したことを特徴とする
    請求項１に記載の角速度センサ素子。
  6. 前記検出電極を前記アーム辺の延出方向において前記アーム片の撓みの変曲点に対して対称形状としたことを特徴とする
    請求項５に記載の角速度センサ素子。
  7. 一つの前記錘部に対して一対の前記駆動アームを並設するとともに、一方の前記駆動アームの形状を他方の前記駆動アームの対称形状とするとともに、前記駆動電極を前記検出電極が設けられた前記アーム辺とは異なるアーム辺に設け、前記アーム辺の延伸方向の中心軸に対して偏芯した位置に配置したことを特徴とする
    請求項１に記載の角速度センサ素子。
  8. 前記駆動電極を２領域に分割するとともに前記アーム辺を縦横の中心軸により４分割し、前記４分割した領域の対角領域に前記駆動電極を配置したことを特徴とする
    請求項７に記載の角速度センサ素子。
  9. 前記駆動電極をそれぞれの前記駆動アームの前記錘部側の前記アーム辺に配置し、前記固定部から前記駆動電極に対する駆動信号の入力経路を一方の前記駆動アーム側から行い、前記検出電極を他方の前記駆動アームの前記固定部側の前記アーム辺に配置し、前記検出電極から前記固定部に出力される検出信号の出力経路を他方の前記駆動アーム側から行うことを特徴とした
    請求項７に記載の角速度センサ素子。
  10. 請求項１記載の角速度センサ素子と、
    前記角速度センサ素子に設けられた駆動電極に駆動信号を印加する駆動制御回路と、
    前記角速度センサ素子の検出電極から出力された検出信号を処理する検出回路と、を備えたことを特徴とする
    角速度センサ。
  11. 固定部と、
    前記固定部に一端が接続されるとともに上面の辺側に少なくとも１つの検出電極を設け、かつ、側面にＧＮＤ電極を設けた四角柱状の検出電極振動体と、
    一端が前記検出電極振動体の他端に接続されるとともに４面のうちの２面に少なくとも一対の駆動電極を設けた四角柱状の駆動電極振動体と、
    前記駆動電極振動体の他端に接続された錘部と、を備え、
    前記検出電極振動体と前記駆動電極振動体との接続部に屈曲部を設けた
    角速度センサ素子。
  12. 前記駆動電極振動体と前記検出電極振動体との前記接続部を折返し形状とすることにより、前記駆動電極振動体と前記検出電極振動体とが互いに相似形状に変形するようにした
    請求項１１記載の角速度センサ素子。
  13. 前記検出電極振動体における前記検出電極と前記駆動電極振動体における前記駆動電極に電気的に接続される電極ランドを前記固定部に設けた
    請求項１１記載の角速度センサ素子。
  14. 角速度を検出する振動型のセンサ素子と、
    前記センサ素子の基本振動および検出信号の処理を行うＩＣと、
    前記センサ素子および前記ＩＣを内蔵するパッケージとからなる角速度センサユニットにおいて、
    前記センサ素子は、
    前記パッケージに接続する外部接続部と、
    前記外部接続部から延出された支持アームと、
    一端が前記支持アームの先端部分に接続され他端が錘部に接続されたつづら折れ状の駆動アームと、
    前記駆動アームに設けられ前記ＩＣから出力される駆動信号に応じて前記駆動アームをつづら折れ方向に基本振動させるドライブ電極と、
    前記駆動アームに設けられ前記基本振動により電荷を形成し前記ＩＣに出力するモニタ電極と、
    角速度の印加により前記駆動アームが側方に振動することで電荷を形成し前記ＩＣに出力するセンス電極と、
    前記外部接続部に設けられ複数の電極パッドと、
    前記電極パッドと前記ドライブ電極、前記センス電極または前記モニタ電極を接続する配線電極と、を備え、
    前記モニタ電極と前記電極パッドを接続する配線電極における前記支持アーム部分に補正電極を設け、前記基本振動および前記角速度の検出振動と直交する方向の撓み振動により前記モニタ電極に生じる不要信号を前記撓み振動により前記補正電極に生じる補正信号で減衰させることを特徴とした
    角速度センサユニットの信号検出方法。
  15. 前記撓み振動により、前記モニタ電極に接続された前期配線電極に生じる不要信号を前記補正電極に生じる補正信号で減衰させることを特徴とした
    請求項１４に記載の角速度センサユニットの信号検出方法。
  16. 角速度を検出する振動型のセンサ素子と、
    前記センサ素子の基本振動および検出信号の処理を行うＩＣと、
    前記センサ素子および前記ＩＣを内蔵するパッケージとからなる角速度センサユニットにおいて、
    前記センサ素子は、
    前記パッケージに接続する外部接続部と、
    前記外部接続部から延出された支持アームと、
    一端が前記支持アームの先端部分に接続され他端が錘部に接続されたつづら折れ状の駆動アームと、
    前記駆動アームに設けられ前記ＩＣから出力される駆動信号に応じて前記駆動アームをつづら折れ方向に基本振動させるドライブ電極と、
    前記駆動アームに設けられ前記基本振動を検出し前記ＩＣに出力するモニタ電極と、
    前記駆動アームに設けられ角速度の検出信号を前記ＩＣに出力するセンス電極と、
    前記外部接続部に設けられた複数の電極パッドと、
    前記電極パッドと前記ドライブ電極、前記センス電極または前記モニタ電極を接続する配線電極と、を備え、
    前記モニタ電極と前記電極パッドを接続する前記配線電極の前記支持アーム部分に補正電極を設けたことを特徴とする
    角速度センサユニット。
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