特開 2024-32561 角速度検出素子および角速度センサー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024032561

(43)【公開日】2024-03-12

(54)【発明の名称】角速度検出素子および角速度センサー

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5607 20120101AFI20240305BHJP

   H10N 30/853 20230101ALI20240305BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20240305BHJP

【ＦＩ】

G01C19/5607

H01L41/187

H01L41/113

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022136281

(22)【出願日】2022-08-29

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091292

【弁理士】

【氏名又は名称】増田 達哉

(74)【代理人】

【識別番号】100173428

【弁理士】

【氏名又は名称】藤谷 泰之

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(72)【発明者】

【氏名】小倉 誠一郎

(72)【発明者】

【氏名】山口 啓一

(72)【発明者】

【氏名】西澤 竜太

【テーマコード（参考）】

2F105

【Ｆターム（参考）】

2F105BB02

2F105BB12

2F105CC01

2F105CD02

2F105CD06

(57)【要約】

【課題】角速度の検出感度を高め易い角速度検出素子および角速度センサーを提供すること。
【解決手段】角速度検出素子は、印加される駆動信号に応じて屈曲振動する駆動振動腕と、印加される角速度に応じて屈曲振動する検出振動腕と、を有し、前記駆動振動腕および前記検出振動腕は、それぞれ、延在方向に沿う有底の溝部を有し、前記駆動振動腕の厚さをｔ１、前記駆動振動腕の前記溝部の深さをｄ１とし、前記検出振動腕の厚さをｔ２、前記検出振動腕の前記溝部の深さをｄ２としたとき、ｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

印加される駆動信号に応じて屈曲振動する駆動振動腕と、
印加される角速度に応じて屈曲振動する検出振動腕と、を有し、
前記駆動振動腕および前記検出振動腕は、それぞれ、延在方向に沿う有底の溝部を有し、
前記駆動振動腕の厚さをｔ１、前記駆動振動腕の前記溝部の深さをｄ１とし、
前記検出振動腕の厚さをｔ２、前記検出振動腕の前記溝部の深さをｄ２としたとき、
ｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１であることを特徴とする角速度検出素子。

【請求項2】

ｄ２／ｔ２≧０．８６６１×ｄ１／ｔ１＋０．１５８２である請求項１に記載の角速度検出素子。

【請求項3】

ｄ１／ｔ１≧０．２である請求項１に記載の角速度検出素子。

【請求項4】

ｄ２／ｔ２≦０．９である請求項１に記載の角速度検出素子。

【請求項5】

ｄ１／ｔ１≧０．２であり、
ｄ２／ｔ２≦０．９であり、
ｄ２／ｔ２≧０．８６６１×ｄ１／ｔ１＋０．１５８２である請求項１に記載の角速度検出素子。

【請求項6】

基部と、
前記基部から第１方向の両側に延出する一対の前記検出振動腕と、
前記基部から前記第１方向に交差する第２方向の両側に延出する一対の支持腕と、
一方の前記支持腕から前記第１方向の両側に延出する一対の前記駆動振動腕と、
他方の前記支持腕から前記第１方向の両側に延出する一対の前記駆動振動腕と、を有する請求項１に記載の角速度検出素子。

【請求項7】

前記検出振動腕および前記駆動振動腕は、それぞれ、前記溝部が設けられている腕部と、前記腕部の先端側に位置し前記腕部よりも幅広の錘部と、を有する請求項６に記載の角速度検出素子。

【請求項8】

各前記検出振動腕は、全ての前記駆動振動腕に対してｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１の関係を満足している請求項６に記載の角速度検出素子。

【請求項9】

前記駆動振動腕および前記検出振動腕は、それぞれ、互いに表裏関係にある第１面および第２面を有し、前記第１面および前記第２面のそれぞれに前記溝部が形成されている請求項１または６に記載の角速度検出素子。

【請求項10】

請求項１に記載の角速度検出素子と、
前記角速度検出素子に電気的に接続され、前記駆動信号を前記角速度検出素子に供給すると共に、前記屈曲振動に基づいて角速度を検出する制御回路と、を有することを特徴とする角速度センサー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、角速度検出素子および角速度センサーに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載されている振動子は、その中央部に位置する基部と、基部からＹ軸方向両側に延出している一対の検出振動アームと、基部からＸ軸方向両側に延出している一対の連結アームと、一方の連結アームの先端部からＹ軸方向両側に延出している一対の駆動振動アームと、他方の連結アームの先端部からＹ軸方向両側に延出している一対の駆動振動アームと、を有する。また、各検出振動アームおよび各駆動振動アームの上下面には、溝が形成されている。このように、各検出振動アームおよび各駆動振動アームの上下面に溝を形成することにより、角速度の検出感度を向上させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－１６６８２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の振動子では、各検出振動アームの溝の深さと各駆動振動アームの溝の深さとが同じである。このように、各検出振動アームの溝の深さと各駆動振動アームの溝の深さとが同じである場合、各溝を深くしても角速度の検出感度を高め難いという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の角速度検出素子は、印加される駆動信号に応じて屈曲振動する駆動振動腕と、
印加される角速度に応じて屈曲振動する検出振動腕と、を有し、
前記駆動振動腕および前記検出振動腕は、それぞれ、延在方向に沿う有底の溝部を有し、
前記駆動振動腕の厚さをｔ１、前記駆動振動腕の前記溝部の深さをｄ１とし、
前記検出振動腕の厚さをｔ２、前記検出振動腕の前記溝部の深さをｄ２としたとき、
ｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１である。

【0006】

本発明の角速度センサーは、上記の角速度検出素子と、
前記角速度検出素子に電気的に接続され、前記駆動信号を前記角速度検出素子に供給すると共に、前記屈曲振動に基づいて角速度を検出する制御回路と、を有する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る角速度センサーを示す断面図である。

【図2】図１の角速度センサーが有する角速度検出素子の平面図である。

【図3】図２中のＡ－Ａ線断面図である。

【図4】図２中のＢ－Ｂ線断面図である。

【図5】図２に示す角速度検出素子の駆動状態を示す概略図である。

【図6】図２に示す角速度検出素子の駆動状態を示す概略図である。

【図7】ｄ１＝ｄ２のときのｄ１と感度との関係を示すグラフである。

【図8】ｄ２／ｄ１と感度との関係を示すグラフである。

【図9】ｄ２／ｄ１＝１、ｄ２／ｄ１＝２の場合のｄ２と感度との関係を示すグラフである。

【図10】ｄ１＝ｄ２、ｄ１＝２０μｍ、ｄ１＝４０μｍ、ｄ１＝６０μｍ、ｄ１＝８０μｍの場合のｄ２と感度との関係を示すグラフである。

【図11】ｄ１／ｔ１とｄ２／ｔ２との関係を示すグラフである。

【図12】角速度検出素子の変形例を示す断面図であり、図２中のＡ－Ａ線断面図に相当する。

【図13】角速度検出素子の変形例を示す断面図であり、図２中のＢ－Ｂ線断面図に相当する。

【図14】第２実施形態に係る角速度検出素子を示す平面図である。

【図15】図１４中のＣ－Ｃ線断面図である。

【図16】図１４中のＤ－Ｄ線断面図である。

【図17】図１４に示す角速度検出素子の駆動状態を示す概略図である。

【図18】図１４に示す角速度検出素子の駆動状態を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の角速度検出素子および角速度センサーを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

【0009】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る角速度センサーを示す断面図である。図２は、図１の角速度センサーが有する角速度検出素子の平面図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図４は、図２中のＢ－Ｂ線断面図である。図５および図６は、それぞれ、図２に示す角速度検出素子の駆動状態を示す概略図である。図７は、ｄ１＝ｄ２のときのｄ１と感度との関係を示すグラフである。図８は、ｄ２／ｄ１と感度との関係を示すグラフである。図９は、ｄ２／ｄ１＝１、ｄ２／ｄ１＝２の場合のｄ２と感度との関係を示すグラフである。図１０は、ｄ１＝ｄ２、ｄ１＝２０μｍ、ｄ１＝４０μｍ、ｄ１＝６０μｍ、ｄ１＝８０μｍの場合のｄ２と感度との関係を示すグラフである。図１１は、ｄ１／ｔ１とｄ２／ｔ２との関係を示すグラフである。図１２は、角速度検出素子の変形例を示す断面図であり、図２中のＡ－Ａ線断面図に相当する。図１３は、角速度検出素子の変形例を示す断面図であり、図２中のＢ－Ｂ線断面図に相当する。

【0010】

以下では、説明の便宜上、互いに直交する３軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示する。また、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向のプラス側を「上」とも言い、マイナス側を「下」とも言う。また、Ｚ軸方向からの平面視を、単に「平面視」とも言う。

【0011】

図１に示す角速度センサー１００は、パッケージ２００と、パッケージ２００に収容されている角速度検出素子３００、角速度検出素子３００を支持している支持基板５００および制御回路４００と、を有する。

【0012】

パッケージ２００は、上面に開口する凹部２１１を備える箱状のベース２１０と、凹部２１１の開口を塞ぐようにベース２１０の上面に接合部材２３０を介して接合されている板状のリッド２２０と、を有する。パッケージ２００の内側には、凹部２１１によって気密な内部空間Ｓが形成され、この内部空間Ｓに角速度検出素子３００、支持基板５００および制御回路４００が収容されている。

【0013】

また、凹部２１１は、ベース２１０の上面に開口する第１凹部２１１ａと、第１凹部２１１ａの底面に開口し、第１凹部２１１ａよりも開口が小さい第２凹部２１１ｂと、第２凹部２１１ｂの底面に開口し、第２凹部２１１ｂよりも開口が小さい第３凹部２１１ｃと、を有する。第１凹部２１１ａの底面には、複数の内部端子２４１が配置され、第２凹部２１１ｂの底面には、複数の内部端子２４２が配置され、ベース２１０の下面には、複数の外部端子２４３が配置されている。各内部端子２４２は、ベース２１０内に形成されている図示しない内部配線を介して内部端子２４１または外部端子２４３と電気的に接続されている。

【0014】

また、第１凹部２１１ａの底面には、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）と呼ばれる実装用の支持基板５００を介して角速度検出素子３００が実装されている。そして、支持基板５００を介して各内部端子２４１と角速度検出素子３００とが電気的に接続されている。また、第３凹部２１１ｃの底面には、制御回路４００が実装されている。そして、導電性のワイヤーＷを介して制御回路４００と内部端子２４２とが電気的に接続されている。これにより、制御回路４００が角速度検出素子３００および外部端子２４３と電気的に接続された状態となる。

【0015】

例えば、ベース２１０は、アルミナなどのセラミックスで構成され、リッド２２０は、コバールなどの金属材料で構成されている。これにより、機械的強度に優れるパッケージ２００となる。また、これらの線膨張係数差を小さく抑えることができ、熱応力の発生を抑制することができる。ただし、ベース２１０およびリッド２２０の構成材料としては、それぞれ、特に限定されない。また、内部空間Ｓは、減圧状態、好ましくは、より真空に近い状態となっている。これにより、粘性抵抗が減少して角速度検出素子３００の振動特性が向上する。ただし、内部空間Ｓの雰囲気は、特に限定されない。

【0016】

以上、パッケージ２００について説明した。ただし、パッケージ２００の構成は、特に限定されない。

【0017】

制御回路４００は、角速度検出素子３００と電気的に接続されており、例えば、角速度検出素子３００に後述する駆動信号を供給して角速度検出素子３００を駆動振動させるための駆動回路４１０と、印加された角速度に応じて角速度検出素子３００が出力する検出信号に基づいて角速度ωｚを検出する検出回路４２０などを有する。

【0018】

このような制御回路４００は、パッケージ２００の外側に配置してもよい。また、制御回路４００は、省略してもよい。

【0019】

角速度検出素子３００は、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出することができる。このような角速度検出素子３００は、図２ないし図４に示すように、Ｚカットの水晶基板をパターニングしてなる振動基板３１０と、振動基板３１０の表面に成膜されている電極３２０と、を有する。

【0020】

ただし、振動基板３１０の構成材料としては、水晶に限定されず、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）などの各種圧電体材料を用いることができる。

【0021】

また、振動基板３１０は、板状であり、互いに表裏関係にある第１面としての上面３１０ａおよび第２面としての下面３１０ｂを有する。また、振動基板３１０は、その中央部に位置する基部３１１と、基部３１１からＹ軸方向両側に延出する一対の検出振動腕３１２、３１３と、基部３１１からＸ軸方向両側へ延出する一対の支持腕３１４、３１５と、一方の支持腕３１４の先端部からＹ軸方向両側に延出する一対の駆動振動腕３１６、３１７と、他方の支持腕３１５の先端部からＹ軸方向両側に延出する一対の駆動振動腕３１８、３１９と、を有する。そして、基部３１１が支持基板５００に接合されている。このような形状の角速度検出素子３００によれば、後述するように駆動振動腕３１６、３１７、３１８、３１９がバランスよく屈曲振動するため、角速度ωｚを精度よく検出することができる。なお、以下では、検出振動腕および駆動振動腕を総称して、単に振動腕とも言う。

【0022】

検出振動腕３１２は、基部３１１からＹ軸方向プラス側に延出する腕部３１２ａと、腕部３１２ａの先端側に位置し腕部３１２ａよりも幅（Ｘ軸方向の長さ）が広い錘部３１２ｂと、を有する。また、検出振動腕３１２は、腕部３１２ａの上面３１０ａに形成されている有底の溝部３１２ｃと、腕部３１２ａの下面３１０ｂに形成されている有底の溝部３１２ｄと、を有する。溝部３１２ｃ、３１２ｄは、それぞれ、腕部３１２ａに沿って、かつ、腕部３１２ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部３１２ｃ、３１２ｄは、対称的に形成されている。

【0023】

また、検出振動腕３１３は、基部３１１からＹ軸方向マイナス側に延出する腕部３１３ａと、腕部３１３ａの先端側に位置し腕部３１３ａよりも幅が広い錘部３１３ｂと、を有する。また、検出振動腕３１３は、腕部３１３ａの上面３１０ａに形成されている有底の溝部３１３ｃと、腕部３１３ａの下面３１０ｂに形成されている有底の溝部３１３ｄと、を有する。溝部３１３ｃ、３１３ｄは、それぞれ、腕部３１３ａに沿って、かつ、腕部３１３ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部３１３ｃ、３１３ｄは、対称的に形成されている。

【0024】

また、駆動振動腕３１６は、支持腕３１４からＹ軸方向プラス側に延出する腕部３１６ａと、腕部３１６ａの先端側に位置し腕部３１６ａよりも幅が広い錘部３１６ｂと、を有する。また、駆動振動腕３１６は、腕部３１６ａの上面３１０ａに形成されている有底の溝部３１６ｃと、腕部３１６ａの下面３１０ｂに形成されている有底の溝部３１６ｄと、を有する。溝部３１６ｃ、３１６ｄは、それぞれ、腕部３１６ａに沿って、かつ、腕部３１６ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部３１６ｃ、３１６ｄは、対称的に形成されている。

【0025】

また、駆動振動腕３１７は、支持腕３１４からＹ軸方向マイナス側に延出する腕部３１７ａと、腕部３１７ａの先端側に位置し腕部３１７ａよりも幅が広い錘部３１７ｂと、を有する。また、駆動振動腕３１７は、腕部３１７ａの上面３１０ａに形成されている有底の溝部３１７ｃと、腕部３１７ａの下面３１０ｂに形成されている有底の溝部３１７ｄと、を有する。溝部３１７ｃ、３１７ｄは、それぞれ、腕部３１７ａに沿って、かつ、腕部３１７ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部３１７ｃ、３１７ｄは、対称的に形成されている。

【0026】

また、駆動振動腕３１８は、支持腕３１５からＹ軸方向プラス側に延出する腕部３１８ａと、腕部３１８ａの先端側に位置し腕部３１８ａよりも幅が広い錘部３１８ｂと、を有する。また、駆動振動腕３１８は、腕部３１８ａの上面３１０ａに形成されている有底の溝部３１８ｃと、腕部３１８ａの下面３１０ｂに形成されている有底の溝部３１８ｄと、を有する。溝部３１８ｃ、３１８ｄは、それぞれ、腕部３１８ａに沿って、かつ、腕部３１８ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部３１８ｃ、３１８ｄは、対称的に形成されている。

【0027】

また、駆動振動腕３１９は、支持腕３１５からＹ軸方向マイナス側に延出する腕部３１９ａと、腕部３１９ａの先端側に位置し腕部３１９ａよりも幅が広い錘部３１９ｂと、を有する。また、駆動振動腕３１９は、腕部３１９ａの上面３１０ａに形成されている有底の溝部３１９ｃと、腕部３１９ａの下面３１０ｂに形成されている有底の溝部３１９ｄと、を有する。溝部３１９ｃ、３１９ｄは、それぞれ、腕部３１９ａに沿って、かつ、腕部３１９ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部３１９ｃ、３１９ｄは、対称的に形成されている。

【0028】

このように、各振動腕３１２、３１３、３１６、３１７、３１８、３１９に錘部３１２ｂ、３１３ｂ、３１６ｂ、３１７ｂ、３１８ｂ、３１９ｂを配置することにより、その質量効果によって、各振動腕３１２、３１３、３１６、３１７、３１８、３１９を短くして角速度検出素子３００の小型化を図ったり、角速度検出素子３００の共振周波数を低めたりすることができる。また、各振動腕３１２、３１３、３１６、３１７、３１８、３１９の長さが同じ場合には、錘部３１２ｂ、３１３ｂ、３１６ｂ、３１７ｂ、３１８ｂ、３１９ｂがない構成と比較して、各腕部３１２ａ、３１３ａ、３１６ａ、３１７ａ、３１８ａ、３１９ａを太くすることができ、その分、屈曲振動時の熱弾性損失が低減され、Ｑ値が高まる。また、錘部３１２ｂ、３１３ｂ、３１６ｂ、３１７ｂ、３１８ｂ、３１９ｂに質量調整用の金属膜を配置し、この金属膜の一部をレーザー照射などによって除去することで共振周波数の微調整を行うこともできる。ただし、錘部３１２ｂ、３１３ｂ、３１６ｂ、３１７ｂ、３１８ｂ、３１９ｂは、省略してもよい。

【0029】

電極３２０は、第１検出信号電極３２１と、第１検出接地電極３２２と、第２検出信号電極３２３と、第２検出接地電極３２４と、駆動信号電極３２５と、駆動接地電極３２６と、を有する。このうち、第１検出信号電極３２１は、検出振動腕３１２の上面３１０ａおよび下面３１０ｂに配置され、第１検出接地電極３２２は、検出振動腕３１２の両側面に配置されている。また、第２検出信号電極３２３は、検出振動腕３１３の上面３１０ａおよび下面３１０ｂに配置され、第２検出接地電極３２４は、検出振動腕３１３の両側面に配置されている。また、駆動信号電極３２５は、駆動振動腕３１６、３１７の上面３１０ａおよび下面３１０ｂと、駆動振動腕３１８、３１９の両側面と、に配置されている。また、駆動接地電極３２６は、駆動振動腕３１６、３１７の両側面と、駆動振動腕３１８、３１９の上面３１０ａおよび下面３１０ｂと、に配置されている。図示しないが、これら各電極３２１、３２２、３２３、３２４、３２５、３２６は、基部３１１の下面まで引き出され、基部３１１の下面において支持基板５００と電気的に接続されている。

【0030】

以上、角速度検出素子３００の構成について簡単に説明した。このような構成の角速度検出素子３００は、次のようにしてＺ軸まわりの角速度ωｚを検出する。

【0031】

駆動信号電極３２５と駆動接地電極３２６との間に駆動信号を印加すると、図５に示すように、駆動振動腕３１６、３１７と駆動振動腕３１８、３１９とがＸ軸方向に逆相で屈曲振動する（この状態を「駆動振動モード」とも言う）。この状態では駆動振動腕３１６、３１７、３１８、３１９の振動がキャンセルされて、検出振動腕３１２、３１３は、振動しない。この状態で、角速度検出素子３００に角速度ωｚが加わると、図６に示すように、駆動振動腕３１６、３１７、３１８、３１９にコリオリの力が働いてＹ軸方向の屈曲振動が励振され、この屈曲振動に呼応するように検出振動腕３１２、３１３がＸ軸方向に屈曲振動する（この状態を「検出振動モード」とも言う）。このような屈曲振動によって検出振動腕３１２に発生した電荷を第１検出信号電極３２１から第１検出信号として取り出し、検出振動腕３１３に発生した電荷を第２検出信号電極３２３から第２検出信号として取り出し、これら第１、第２検出信号に基づいて角速度ωｚが求められる。なお、第１、第２検出信号は、互いに逆相の信号であるため、差動検出方式を用いることで、より精度よく角速度ωｚを検出することができる。

【0032】

次に、各振動腕３１２、３１３、３１６、３１７、３１８、３１９に形成されている溝部の構成について詳細に説明する。なお、検出振動腕３１２、３１３は、互いに同様の構成であり、駆動振動腕３１６、３１７、３１８、３１９は、互いに同様の構成である。したがって、以下では、説明の便宜上、検出振動腕３１２、３１３については、検出振動腕３１２を代表して説明し、駆動振動腕３１６、３１７、３１８、３１９については、駆動振動腕３１６を代表して説明する。

【0033】

前述したように、検出振動腕３１２には、一対の溝部３１２ｃ、３１２ｄが形成されており、駆動振動腕３１６には、一対の溝部３１６ｃ、３１６ｄが形成されている。そのため、各振動腕３１２、３１６の屈曲振動時の熱伝達経路を長くすることができ、熱弾性損失が低減され、Ｑ値が高まる。さらには、各振動腕３１２、３１６が柔らかくなり、これらがＸ軸方向に屈曲変形し易くなる。そのため、駆動振動モードでの駆動振動腕３１６の振幅を大きくすることができる。駆動振動腕３１６の振幅が大きいほどコリオリ力が大きくなり、検出振動モードでの検出振動腕３１２の振幅がより大きくなる。そのため、より大きな検出信号が得られ、角速度ωｚの検出感度が高まる。

【0034】

以下、図３に示すように、駆動振動腕３１６の厚さをｔ１、駆動振動腕３１６の溝部３１６ｃ、３１６ｄの深さをｄ１とし、検出振動腕３１２の厚さをｔ２、検出振動腕３１２の溝部３１２ｃ、３１２ｄの深さをｄ２として、ｄ２／ｔ２とｄ１／ｔ１との関係について詳細に説明する。なお、ｄ１は、溝部３１６ｃ、３１６ｄの深さの合計である。溝部３１６ｃ、３１６ｄが対称的に形成されているため、溝部３１６ｃ、３１６ｄの深さは、それぞれ、ｄ１／２である。同様に、ｄ２は、溝部３１２ｃ、３１２ｄの深さの合計である。溝部３１２ｃ、３１２ｄが対称的に形成されているため、溝部３１２ｃ、３１２ｄの深さは、それぞれ、ｄ２／２である。

【0035】

また、例えば、振動基板３１０をウェットエッチングによりパターニングした場合など、水晶の結晶角が表れて溝部３１２ｃ、３１２ｄ、３１６ｃ、３１６ｄが一定の深さではない形状となる場合がある。このような場合、溝部３１２ｃ、３１２ｄ、３１６ｃ、３１６ｄの深さは、最も深い箇所での深さを意味する。また、本実施形態では、ｔ１、ｔ２は、振動基板３１０の板厚に相当し、ｔ１＝ｔ２である。ただし、これに限定されず、ｔ１≠ｔ２であってもよい。

【0036】

図７に、ｄ１、ｄ２（ただし、ｄ１＝ｄ２）と角速度ωｚの検出感度（感度）との関係を示す。なお、振動基板３１０の板厚つまりｔ１、ｔ２は、１００μｍである。また、検出感度は、ｄ１、ｄ２が６０μｍのときの検出感度を１とした比で表している。同図から分かるように、ｄ１、ｄ２が深くなるほど検出感度が高まっている。しかしながら、ｄ１、ｄ２を９０μｍ（板厚の９０％）としても、ｄ１、ｄ２が６０μｍ（板厚の６０％）のときと比較して検出感度が１．０９倍にしか高まっていない。このことから、ｄ１＝ｄ２である場合、ｄ１、ｄ２を大きくしても検出感度が高まり難いことが分かる。

【0037】

図８に、ｄ２／ｄ１と検出感度との関係を示す。なお、振動基板３１０の板厚つまりｔ１、ｔ２は、１００μｍである。また、検出感度は、従来の構成であるｄ２／ｄ１＝１のときの検出感度を１とした比で表している。同図から分かるように、ｄ２／ｄ１が大きくなるほど検出感度が高まっている。つまり、駆動振動腕３１６の溝部３１６ｃ、３１６ｄに対して、検出振動腕３１２の溝部３１２ｃ、３１２ｄが深くなるほど検出感度が高まっている。そして、ｄ２／ｄ１＞１の領域で、従来の構成よりも検出感度を高められることが分かる。したがって、角速度検出素子３００では、ｄ２／ｄ１＞１、つまり、ｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１を満足している。これにより、従来の構成よりも検出感度を高めることができる。

【0038】

図９に、ｄ２／ｄ１＝１、ｄ２／ｄ１＝２の場合について、ｄ２と検出感度との関係を示す。なお、振動基板３１０の板厚つまりｔ１、ｔ２は、１００μｍである。同図から分かるように、ｄ２／ｄ１＝２の方がｄ２／ｄ１＝１よりも検出感度の上昇率が大きい。したがって、ｄ２／ｄ１＞１、つまり、ｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１を満足することで、ｄ１、ｄ２を深くすることにより、検出感度をより大きく高めることができる。

【0039】

図１０に、ｄ１＝ｄ２（□）、ｄ１＝２０μｍ（▲）、ｄ１＝４０μｍ（△）、ｄ１＝６０μｍ（●）、ｄ１＝８０μｍ（〇）の場合について、ｄ２と検出感度との関係を示す。また、同図には、ｄ１＝ｄ２の各点を直線近似した近似式（１）と、ｄ１＝２０μｍの各点を直線近似した近似式（２）と、ｄ１＝４０μｍの各点を直線近似した近似式（３）と、ｄ１＝６０μｍの各点を直線近似した近似式（４）と、ｄ１＝８０μｍの各点を直線近似した近似式（５）と、を示している。さらに、近似式（１）のｄ２＝１００ｕｍ、つまり、ｄ２＝ｔ２での値（＝０．８７２）を求め、ｙ＝０．８７２と各近似式（２）～（５）との交点ｐ（■）を示している。

【0040】

ｙ＝０．８７２は、従来の構成での限界となる感度比を表している。図１１は、ｄ１／ｔ１とｄ２／ｔ２との関係を示し、図１０中の交点ｐがプロットされている。また、同図には、各交点ｐを直線近似した近似式（６）を示している。前述したように、ｙ＝０．８７２が従来の構成での限界となる感度比を表しているため、ｄ２／ｔ２が近似式（６）以上であれば、つまり、ｄ２／ｔ２が図１１中のグレーの領域内にあれば、従来の構成では到達することのできない検出感度となる。したがって、本実施形態では、ｄ２／ｔ２≧０．８６６１×ｄ１／ｔ１＋０．１５８２を満足しており、これにより、従来の構成では到達することのできない検出感度となる。

【0041】

なお、ｄ１／ｔ１としては、特に限定されないが、ｄ１／ｔ１≧０．２であることが好ましい。これにより、溝部３１６ｃ、３１６ｄが浅くなり過ぎず、駆動振動腕３１６に加わる応力を十分に小さくすることができる。そのため、駆動振動腕３１６の破損を効果的に抑制することができる。また、ｄ２／ｔ２としては、特に限定されないが、ｄ２／ｔ２≦０．９であることが好ましい。これにより、溝部３１２ｃ、３１２ｄが深くなり過ぎず、検出振動腕３１２の機械的強度を十分に高く確保することができる。

【0042】

特に、本実施形態では、各検出振動腕３１２、３１３が全ての駆動振動腕３１６、３１７、３１８、３１９との間で上述の関係、具体的にはｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１、ｄ２／ｔ２≧０．８６６１×ｄ１／ｔ１＋０．１５８２を満足している。これにより、上述した効果がより顕著となり、検出感度をより高めることができる。ただし、これに限定されず、検出振動腕３１２、３１３の少なくとも一方が、駆動振動腕３１６、３１７、３１８、３１９の少なくとも１つとの間で上述の関係を満足していればよい。

【0043】

以上、角速度センサー１００について説明した。このような角速度センサー１００に含まれる角速度検出素子３００は、印加される駆動信号に応じて屈曲振動する駆動振動腕３１６と、印加される角速度ωｚに応じて屈曲振動する検出振動腕３１２と、を有し、駆動振動腕３１６は、延在方向に沿う有底の溝部３１６ｃ、３１６ｄを有し、検出振動腕３１２は、延在方向に沿う有底の溝部３１２ｃ、３１２ｄを有し、駆動振動腕３１６の厚さをｔ１、駆動振動腕３１６の溝部３１６ｃ、３１６ｄの深さをｄ１とし、検出振動腕３１２の厚さをｔ２、検出振動腕３１２の溝部３１２ｃ、３１２ｄの深さをｄ２としたとき、ｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１である。このような構成によれば、従来の構成と比べて、ｄ１、ｄ２を深くすることにより、検出感度をより大きく高めることができる。

【0044】

また、前述したように、角速度検出素子３００では、ｄ２／ｔ２≧０．８６６１×ｄ１／ｔ１＋０．１５８２である。このような関係を満足することにより、従来の構成では到達することのできない領域まで角速度ωｚの検出感度を高めることができる。そのため、角速度ωｚの検出精度に優れた角速度検出素子３００となる。

【0045】

また、前述したように、角速度検出素子３００では、ｄ１／ｔ１≧０．２であることが好ましい。これにより、溝部３１６ｃ、３１６ｄが浅くなり過ぎず、駆動振動腕３１６に加わる応力を十分に小さくすることができる。そのため、駆動振動腕３１６の破損を効果的に抑制することができる。

【0046】

また、前述したように、角速度検出素子３００では、ｄ２／ｔ２≦０．９であることが好ましい。これにより、溝部３１２ｃ、３１２ｄが深くなり過ぎず、検出振動腕３１２の機械的強度を十分に高く確保することができる。

【0047】

また、前述したように、角速度検出素子３００では、ｄ１／ｔ１≧０．２であり、ｄ２／ｔ２≦０．９であり、ｄ２／ｔ２≧０．８６６１×ｄ１／ｔ１＋０．１５８２である。これにより、検出振動腕３１２および駆動振動腕３１６の破損を効果的に抑制しつつ、従来の構成では到達することのできない領域まで検出感度を高めることができる。

【0048】

また、前述したように、角速度検出素子３００では、基部３１１と、基部３１１から第１方向であるＹ軸方向の両側に延出する一対の検出振動腕３１２、３１３と、基部３１１からＹ軸方向に交差する第２方向であるＸ軸方向の両側に延出する一対の支持腕３１４、３１５と、一方の支持腕３１４からＹ軸方向の両側に延出する一対の駆動振動腕３１６、３１７と、他方の支持腕３１５からＹ軸方向の両側に延出する一対の駆動振動腕３１８、３１９と、を有する。このような構成によれば、Ｘ軸およびＹ軸に直交するＺ軸まわりの角速度ωｚを検出することのできる角速度検出素子３００となる。

【0049】

また、前述したように、検出振動腕３１２は、溝部３１２ｃ、３１２ｄが設けられている腕部３１２ａと、腕部３１２ａの先端側に位置し腕部３１２ａよりも幅広の錘部３１２ｂと、を有し、駆動振動腕３１６は、溝部３１６ｃ、３１６ｄが設けられている腕部３１６ａと、腕部３１６ａの先端側に位置し腕部３１６ａよりも幅広の錘部３１６ｂと、を有する。これにより、錘部３１２ｂ、３１６ｂの質量効果によって、検出振動腕３１２および駆動振動腕３１６を短くして角速度検出素子３００の小型化を図ったり、角速度検出素子３００の共振周波数を低めたりすることができる。また、各振動腕３１２、３１６の長さが同じ場合には、錘部３１２ｂ、３１６ｂがない構成と比較して、各腕部３１２ａ、３１６ａを太くすることができ、その分、屈曲振動時の熱弾性損失が低減され、Ｑ値が高まる。

【0050】

また、前述したように、各検出振動腕３１２、３１３は、全ての駆動振動腕３１６、３１７、３１８、３１９に対してｄ２／ｔ２＞ｄ１／ｔ１の関係を満足している。これにより、より確実に、従来の構成と比べて、ｄ１、ｄ２を深くすることにより、検出感度をより大きく高めることができる。

【0051】

また、前述したように、駆動振動腕３１６および検出振動腕３１２は、それぞれ、互いに表裏関係にある第１面である上面３１０ａおよび第２面である下面３１０ｂを有し、上面３１０ａおよび下面３１０ｂのそれぞれに溝部３１６ｃ、３１６ｄ、３１２ｃ、３１２ｄが形成されている。これにより、駆動振動腕３１６では、溝部３１６ｃ、３１６ｄが表裏に対称的に形成され、検出振動腕３１２では、溝部３１２ｃ、３１２ｄが表裏に対称的に形成される。したがって、駆動振動腕３１６および検出振動腕３１２の面外方向への屈曲振動を抑制することができる。そのため、スプリアスの発生が抑制され、角速度ωｚを精度よく検出することができる。

【0052】

また、前述したように、角速度センサー１００は、角速度検出素子３００と、角速度検出素子３００に電気的に接続され、駆動信号を角速度検出素子３００に供給すると共に、検出振動腕３１２の屈曲振動に基づいて角速度ωｚを検出する制御回路４００と、を有する。これにより、上述した角速度検出素子３００の効果を享受でき、優れた角速度検出精度を有する角速度センサー１００となる。

【0053】

以上、第１実施形態について説明した。ただし、角速度検出素子３００の構成は、特に限定されない。例えば、図１２および図１３に示すように、各振動腕３１２、３１３、３１６、３１７、３１８、３１９から下面３１０ｂ側の溝部３１２ｄ、３１３ｄ、３１６ｄ、３１７ｄ、３１８ｄ、３１９ｄを省略してもよい。この場合、溝部３１２ｃ、３１３ｃの深さがｄ２となり、溝部３１６ｃ、３１７ｃ、３１８ｃ、３１９ｃの深さがｄ１となる。

【0054】

＜第２実施形態＞
図１４は、第２実施形態に係る角速度検出素子を示す平面図である。図１５は、図１４中のＣ－Ｃ線断面図である。図１６は、図１４中のＤ－Ｄ線断面図である。図１７および図１８は、それぞれ、図１４に示す角速度検出素子の駆動状態を示す概略図である。

【0055】

本実施形態に係る角速度センサー１００は、角速度検出素子の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の角速度センサー１００と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態の角速度センサー１００に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の各図では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

【0056】

本実施形態の角速度センサー１００では、角速度検出素子３００に換えて角速度検出素子６００を用いている。図１４ないし図１６に示す角速度検出素子６００は、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出することができる。このような角速度検出素子６００は、Ｚカットの水晶基板をパターニングしてなる振動基板６１０と、振動基板６１０の表面に成膜されている電極６２０と、を有する。

【0057】

ただし、振動基板６１０の構成材料としては、水晶に限定されず、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）などの各種圧電体材料を用いることができる。

【0058】

また、振動基板６１０は、板状であり、互いに表裏関係にある第１面としての上面６１０ａおよび第２面としての下面６１０ｂを有する。また、振動基板６１０は、その中央部に位置する基部６１１と、基部６１１からＹ軸方向プラス側に延出する一対の検出振動腕６１２、６１３と、基部６１１からＹ軸方向マイナス側に延出する一対の駆動振動腕６１４、６１５と、を有する。一対の検出振動腕６１２、６１３は、Ｘ軸方向に並んで配置され、一対の駆動振動腕６１４、６１５は、Ｘ軸方向に並んで配置されている。

【0059】

また、検出振動腕６１２は、基部６１１からＹ軸方向プラス側に延出する腕部６１２ａと、腕部６１２ａの先端側に位置し腕部６１２ａよりも幅が広い錘部６１２ｂと、を有する。また、検出振動腕６１２は、腕部６１２ａの上面６１０ａに形成されている有底の溝部６１２ｃと、腕部６１２ａの下面６１０ｂに形成されている有底の溝部６１２ｄと、を有する。溝部６１２ｃ、６１２ｄは、それぞれ、腕部６１２ａに沿って、かつ、腕部６１２ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部６１２ｃ、６１２ｄは、対称的に形成されている。

【0060】

また、検出振動腕６１３は、基部６１１からＹ軸方向プラス側に延出する腕部６１３ａと、腕部６１３ａの先端側に位置し腕部６１３ａよりも幅が広い錘部６１３ｂと、を有する。また、検出振動腕６１３は、腕部６１３ａの上面６１０ａに形成されている有底の溝部６１３ｃと、腕部６１３ａの下面６１０ｂに形成されている有底の溝部６１３ｄと、を有する。溝部６１３ｃ、６１３ｄは、それぞれ、腕部６１３ａに沿って、かつ、腕部６１３ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部６１３ｃ、６１３ｄは、対称的に形成されている。

【0061】

また、駆動振動腕６１４は、基部６１１からＹ軸方向マイナス側に延出する腕部６１４ａと、腕部６１４ａの先端側に位置し腕部６１４ａよりも幅が広い錘部６１４ｂと、を有する。また、駆動振動腕６１４は、腕部６１４ａの上面６１０ａに形成されている有底の溝部６１４ｃと、腕部６１４ａの下面６１０ｂに形成されている有底の溝部６１４ｄと、を有する。溝部６１４ｃ、６１４ｄは、それぞれ、腕部６１４ａに沿って、かつ、腕部６１４ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部６１４ｃ、６１４ｄは、対称的に形成されている。

【0062】

また、駆動振動腕６１５は、基部６１１からＹ軸方向マイナス側に延出する腕部６１５ａと、腕部６１５ａの先端側に位置し腕部６１５ａよりも幅が広い錘部６１５ｂと、を有する。また、駆動振動腕６１５は、腕部６１５ａの上面６１０ａに形成されている有底の溝部６１５ｃと、腕部６１５ａの下面６１０ｂに形成されている有底の溝部６１５ｄと、を有する。溝部６１５ｃ、６１５ｄは、それぞれ、腕部６１５ａに沿って、かつ、腕部６１５ａの長手方向のほぼ全域に形成されている。また、溝部６１５ｃ、６１５ｄは、対称的に形成されている。

【0063】

なお、検出振動腕６１２、６１３でのｄ２／ｔ２と、駆動振動腕６１４、６１５でのｄ１／ｔ１との関係は、前述した第１実施形態と同様である。

【0064】

電極６２０は、第１検出信号電極６２１と、第１検出接地電極６２２と、第２検出信号電極６２３と、第２検出接地電極６２４と、駆動信号電極６２５と、駆動接地電極６２６と、を有する。

【0065】

このうち、第１検出信号電極６２１は、検出振動腕６１２の上面６１０ａおよび下面６１０ｂに配置されており、第１検出接地電極６２２は、検出振動腕６１２の両側面に配置されている。また、第２検出信号電極６２３は、検出振動腕６１３の上面６１０ａおよび下面６１０ｂに配置されており、第２検出接地電極６２４は、検出振動腕６１３の両側面に配置されている。また、駆動信号電極６２５は、駆動振動腕６１４の上面６１０ａおよび下面６１０ｂと、駆動振動腕６１５の両側面とに配置されており、駆動接地電極６２６は、駆動振動腕６１４の両側面と駆動振動腕６１５の上面６１０ａおよび下面６１０ｂとに配置されている。

【0066】

このような構成の角速度検出素子６００は、次のようにしてＹ軸まわりの角速度ωｙを検出する。駆動信号電極６２５と駆動接地電極６２６との間に駆動信号を印加すると、図１７に示すように、駆動振動腕６１４、６１５がＸ軸方向に逆相で屈曲振動する。この状態では駆動振動腕６１４、６１５の振動がキャンセルされて、検出振動腕６１２、６１３は、振動しない。この状態で、角速度検出素子６００に角速度ωｙが加わると、図１８に示すように、駆動振動腕６１４、６１５にコリオリの力が働いてＺ軸方向の屈曲振動が励振され、この屈曲振動に呼応するように検出振動腕６１２、６１３がＺ軸方向に屈曲振動する。このような屈曲振動によって検出振動腕６１２に発生した電荷を第１検出信号電極６２１から第１検出信号として取り出し、検出振動腕６１３に発生した電荷を第２検出信号電極６２３から第２検出信号として取り出し、これら第１、第２検出信号に基づいて角速度ωｙが求められる。第１、第２検出信号は、互いに逆相の信号であるため、差動検出方式を用いることで、より精度よく角速度ωｙを検出することができる。

【0067】

以上のような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

【0068】

以上、本発明の角速度検出素子および角速度センサーを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

【符号の説明】

【0069】

１００…角速度センサー、２００…パッケージ、２１０…ベース、２１１…凹部、２１１ａ…第１凹部、２１１ｂ…第２凹部、２１１ｃ…第３凹部、２２０…リッド、２３０…接合部材、２４１…内部端子、２４２…内部端子、２４３…外部端子、３００…角速度検出素子、３１０…振動基板、３１０ａ…上面、３１０ｂ…下面、３１１…基部、３１２…検出振動腕、３１２ａ…腕部、３１２ｂ…錘部、３１２ｃ…溝部、３１２ｄ…溝部、３１３…検出振動腕、３１３ａ…腕部、３１３ｂ…錘部、３１３ｃ…溝部、３１３ｄ…溝部、３１４…支持腕、３１５…支持腕、３１６…駆動振動腕、３１６ａ…腕部、３１６ｂ…錘部、３１６ｃ…溝部、３１６ｄ…溝部、３１７…駆動振動腕、３１７ａ…腕部、３１７ｂ…錘部、３１７ｃ…溝部、３１７ｄ…溝部、３１８…駆動振動腕、３１８ａ…腕部、３１８ｂ…錘部、３１８ｃ…溝部、３１８ｄ…溝部、３１９…駆動振動腕、３１９ａ…腕部、３１９ｂ…錘部、３１９ｃ…溝部、３１９ｄ…溝部、３２０…電極、３２１…第１検出信号電極、３２２…第１検出接地電極、３２３…第２検出信号電極、３２４…第２検出接地電極、３２５…駆動信号電極、３２６…駆動接地電極、４００…制御回路、４１０…駆動回路、４２０…検出回路、５００…支持基板、６００…角速度検出素子、６１０…振動基板、６１０ａ…上面、６１０ｂ…下面、６１１…基部、６１２…検出振動腕、６１２ａ…腕部、６１２ｂ…錘部、６１２ｃ…溝部、６１２ｄ…溝部、６１３…検出振動腕、６１３ａ…腕部、６１３ｂ…錘部、６１３ｃ…溝部、６１３ｄ…溝部、６１４…駆動振動腕、６１４ａ…腕部、６１４ｂ…錘部、６１４ｃ…溝部、６１４ｄ…溝部、６１５…駆動振動腕、６１５ａ…腕部、６１５ｂ…錘部、６１５ｃ…溝部、６１５ｄ…溝部、６２０…電極、６２１…第１検出信号電極、６２２…第１検出接地電極、６２３…第２検出信号電極、６２４…第２検出接地電極、６２５…駆動信号電極、６２６…駆動接地電極、ｄ１…深さ、ｄ２…深さ、ｔ１…厚さ、ｔ２…厚さ、Ｓ…内部空間、Ｗ…ワイヤー、ｐ…交点、ωｙ…角速度、ωｚ…角速度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】