振動型角速度センサ
【課題】小型で感度が高い振動型角速度センサを提供する。
【解決手段】支持部と、錘部と、前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、前記錘部を励振する励振手段と、前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、を備える振動型角速度センサ。
【解決手段】支持部と、錘部と、前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、前記錘部を励振する励振手段と、前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、を備える振動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動型角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される振動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサが知られている。振動型角速度センサでは、参照振動の振幅が大きくなるほど感度が高くなる。したがって錘部は錘部の形態と錘部を支持する弾性体の形態とで決まる固有振動数の近傍の振動数において励振される。しかし、錘部を支持する弾性体が延びると弾性体のばね定数が変化し、それにともなって固有振動数が変化する。このような固有振動数の変化はハードスプリング効果といわれる。一定の振幅に対しては弾性体が小型化するほどハードスプリング効果が起こりやすい。ハードスプリング効果による固有振動数の変化に追従して励振することは困難であるため、振動型角速度センサが小型化するほど振幅の大きな参照振動を実現することは困難になる。特許文献１、２，３に記載されているように、錘部を支持する弾性体としての梁部が例えばＴ字形である等、錘部を支持する弾性体としての梁部に屈曲部があるとハードスプリング効果による固有振動数の変化は起こりにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１９９７１４号公報
【特許文献２】特開２００７−３３３６６５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ００−０７９２８８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、屈曲部を形成するなどして梁部自体を柔らかくするとばね定数と固有振動数が大幅に低下する。したがって、従来の方法では、目標とする固有振動数を維持しながら弾性体のハードスプリング効果を低減することはできない。すなわち、振動型角速度センサには、小型化するほど、振幅の大きな参照振動を実現することは困難になるとともに感度を高めにくくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、この問題を解決するために創作されたものであって、小型で感度が高い振動型角速度センサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、支持部と、錘部と、前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、前記錘部を励振する励振手段と、前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、を備える。
【０００７】
本発明によると梁部の張力に応じてばね定数安定化手段が梁部の延伸方向に弾性変形することによって梁部の伸びが抑制される。このため本発明によると、錘部の参照振動の振幅を大きくしても、ハードスプリング効果による固有振動数の変化を抑えることができる。すなわち本発明によると感度が高い振動型角速度センサを実現できる。また梁部の延伸方向のばね定数は梁部の主撓み方向のばね定数に比べて格段に大きい。したがって梁部の延伸方向におけるばね定数安定化手段のばね定数が相当大きくても、梁部のハードスプリング効果を抑制できる。梁部の延伸方向におけるばね定数安定化手段のばね定数を十分大きく設定することによって、ばね定数安定化手段によって錘部の固有振動数が大幅に低くなることを防止できる。なお、本明細書において、主撓み方向とは、板状の構造体を厚さ方向に撓ませる任意の変位方向である。また、厚さ方向とは板状の構造体の寸法について最も長さが短くなる方向である。
【０００８】
（２）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記ばね定数安定化手段は、主撓み方向が前記梁部の延伸方向に一致するとともに当該主撓み方向において前記梁部と結合している板ばねの形態を有してもよい。
本発明によると板ばねの形態を有するばね定数安定化手段が梁部の延伸方向に撓むことによって梁部の伸びが抑制される。このため感度が高い振動型角速度センサを実現できる。また板ばねの形態を有するばね定数安定化手段の主撓み方向のばね定数を十分大きく設定することによって、錘部の固有振動数が大幅に低くなることを防止できる。
【０００９】
（３）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する穴によって前記ばね定数安定化手段が形成されていてもよい。
本発明によると、ばね定数安定化手段と支持部または錘部の残部との積層構造が同一になるため、ばね定数安定化手段を簡素な製造プロセスの中で形成することができる。
【００１０】
（４）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する切り欠きによって前記ばね定数安定化手段が形成されていてもよい。
本発明によると、ばね定数安定化手段と支持部または錘部の残部との積層構造が同一になるため、ばね定数安定化手段を簡素な製造プロセスの中で形成することができる。
【００１１】
（５）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記梁部の延伸方向における前記ばね定数安定化手段のばね定数は前記梁部の延伸方向における前記梁部のばね定数より小さくてもよい。
本発明によると、ハードスプリング効果の抑制効果が高まる。
【００１２】
（６）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、環状の膜部と、前記膜部の外周と結合している筒部と、前記膜部の内周と結合している錘部と、前記錘部を励振する励振手段と、前記筒部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、前記筒部を囲む支持部と、前記支持部に形成され、主撓み方向が前記膜部の幅方向に一致するとともに前記主撓み方向において前記筒部と結合している板ばねの形態を有するばね定数安定化手段と、を備える。
【００１３】
本発明によると板ばねの形態を有するばね定数安定化手段が環状の膜部の幅方向に撓むことによって筒部の径が縮小し、膜部の伸びが抑制される。このため本発明によると、錘部の参照振動の振幅を大きくしても、ハードスプリング効果による固有振動数の変化を抑えることができる。すなわち本発明によると感度が高い振動型角速度センサを実現できる。また膜部の幅方向のばね定数は膜部の厚み方向のばね定数に比べて格段に大きい。したがってばね定数安定化手段の主撓み方向のばね定数が相当大きくても、膜部のハードスプリング効果を抑制できる。板ばねの形態を有するばね定数安定化手段の主撓み方向のばね定数を十分大きく設定することによって、ばね定数安定化手段によって錘部の固有振動数が大幅に低くなることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１Ａは本発明の実施形態にかかる斜視図。図１Ｂおよび図１Ｃは本発明の実施形態にかかる側面図。
【図２】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図３】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図４】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図５】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図６】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図７】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図８】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図９】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図１０】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図１１】本発明の実施形態にかかる斜視図。
【図１２】図１２Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図１２Ｂは図１２Ａに示すＢＢ線断面図。図１２Ｃは図１２Ａに示すＣＣ線断面図。図１２Ｄは図１２Ａの部分図。
【図１３】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１４】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１５】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１６】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１７】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図１８】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図１９】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２０】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２１】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２２】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２３】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２４】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２５】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２６】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２７】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２８】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２９】図２９Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図２９Ｂは図２９Ａに示すＢＢ線断面図。図２９Ｃは図２９Ａに示すＣＣ線断面図。
【図３０】図３０Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図３０Ｂは図３０Ａに示すＢＢ線断面図。図３０Ｃは図３０Ａに示すＣＣ線断面図。
【図３１】図３１Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図３１Ｂは図３１Ａに示すＢＢ線断面図。図３１Ｃは図３１Ａに示すＣＣ線断面図。図３１Ｄは図３１Ａに示すＤＤ線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．ハードスプリング効果とその抑制原理
図１Ａに示すように梁Ｒの両端が２つの支持体Ｓ１、Ｓ２に固定されているとき、梁Ｒの厚さ方向について変位ａと復元力Ｆの関係を考える。梁Ｒの中間点の変位ａが小さい範囲ではフックの法則Ｆ＝ｋａが近似的に成立する。ばね定数ｋは変位ａの関数であって、変位ａが大きくなるとばね定数ｋは大きくなり梁Ｒはばねとして硬くなる。
【００１６】
図２は梁Ｒを励振する駆動電圧の大きさ（振幅）毎に梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係を示したグラフである。駆動電圧Ｖが大きくなるほど梁Ｒの振幅は増大する。また駆動電圧Ｖの振動数が固有振動数に近くなるほど梁Ｒの振幅は増大する。相対的に高い駆動電圧Ｖ４において励振する場合、相対的に低い駆動電圧Ｖ１において励振するよりも高い振動数において梁Ｒの振幅が極大になる。すなわち、梁Ｒの中間点の振幅が大きくなると梁Ｒの中間点の固有振動数が高くなる。これは梁Ｒの中間点の変位ａの増大に伴って梁Ｒの主撓み方向である厚さ方向のばね定数ｋが大きくなるからである。これをハードスプリング効果という。
【００１７】
相対的に低い駆動電圧Ｖ１において励振する場合、梁Ｒの中間点の振幅が極大になる固有振動数を境にして梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係は対称である。一方、相対的に高い駆動電圧Ｖ４において励振する場合、図３において実線によって示すように、梁Ｒの中間点の振幅が極大になる固有振動数よりも高い振動数において振動する範囲では振動数に対する振幅の変化率の絶対値が、振幅が極大になる固有振動数よりも低い振動数において振動する範囲に比べて大きくなる。振動数に対する振幅の変化率の絶対値が大きくなると、駆動電圧によって振幅を制御することが困難になる。すなわち大きな振幅で梁Ｒを安定して励振することは困難である。なお、図３に示すグラフにおいて、実線は駆動電圧Ｖ４において梁Ｒを励振するときに梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係を示し、破線は振幅が極大となる振動数を境にして梁Ｒの中間点の振動数と振幅の関係が対称である関係を示している。
【００１８】
ところで図１Ｂに示すように支持体Ｓ１、Ｓ２の位置が相対的に固定されているとき、変位ａが大きくなるほど梁Ｒが延びる。そこで変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることにより、ハードスプリング効果を抑制する。
【００１９】
図１Ｃに示すように、梁Ｒの両端が固定されている支持体Ｓ１、Ｓ２の距離ｄが変位ａの増加に伴って減少するように梁Ｒを支持すると、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることができる。すなわち、梁Ｒの張力に応じて支持体Ｓ１、Ｓ２の距離ｄが縮むとき、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることができる。したがって、支持体Ｓ１および支持体Ｓ２の少なくとも一方を、梁Ｒの延伸方向においてばねとして機能させることによってハードスプリング効果を抑制できる。
【００２０】
ただし、支持体Ｓ１および支持体Ｓ２の少なくとも一方を、梁Ｒの延伸方向においてばねとして機能させると、支持体Ｓ１、Ｓ２の位置を相対的に固定する場合に比べて梁Ｒの中間点の固有振動数は低くなる。したがって、梁Ｒの中間点の固有振動数を維持するには、梁Ｒの長さ方向における支持体Ｓ１および支持体Ｓ２のばね定数は大きいほど好ましい。また、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくするためには、梁Ｒの長さ方向における支持体Ｓ１および支持体Ｓ２のばね定数は、梁Ｒの延伸方向における梁Ｒのばね定数よりも小さいことが好ましい。
【００２１】
なお、支持体Ｓ１、Ｓ２が梁Ｒの中間点の振動方向と同じ方向にばねとして振動するように構成すると、梁Ｒの中間点の固有振動数が大きく変動する。したがって、支持体Ｓ１、Ｓ２は、梁Ｒの延伸方向においてはばねとして機能し、梁Ｒの中間点の振動方向においては実質的な剛体として機能するように構成される。すなわち、支持体Ｓ１、Ｓ２は、主撓み方向が梁Ｒの延伸方向に一致するとともに主撓み方向において梁Ｒと結合している板ばねの形態とする。板ばねは、厚さ方向に成分を持つ主撓み方向についてはばね定数が小さく、厚さ方向と垂直な面と平行な方向についてはばね定数は実質的に無限大として扱えるほど大きい。したがって、支持体Ｓ１、Ｓ２は、厚さ方向が梁Ｒの延伸方向に一致するとともに厚さ方向において梁Ｒと結合している板ばねの形態とすればよい。
【００２２】
２．第一実施例
図１１および図１２は本発明による振動型角速度センサの第一実施例を示している。説明の便宜のために図１１および図１２に示すように直交するｘｙｚ軸を定める。振動型角速度センサ１は、ＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの積層構造体であって、図示しないパッケージに収容される。振動型角速度センサ１には、枠形の支持部１０、底面が十字形の柱体である錘部１５、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄなどが形成されている。
【００２３】
支持部１０はパッケージに固定され、梁部１２に比べて十分厚いため、実質的に剛体として振る舞う。支持部１０は内側に梁部１２および錘部１５が収まる空間を形成し実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。
【００２４】
４つの梁部１２は、いずれも一端が支持部１０に他端が錘部１５に結合している。具体的には梁部１２を構成する２つの層１０４と１０６とが支持部１０および錘部１５をも構成し、層１０４，１０６が錘部１５、梁部１２および支持部１０にわたって連続しているていることによって梁部１２が支持部１０と錘部１５とに結合している。４つの梁部１２は、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い層１００を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分ｚ方向に薄い。したがって４つの梁部１２は、それぞれ一端が支持部１０に固定された弾性梁として振る舞う。４つの梁部１２は、ｘｙ平面と平行に整列し、いずれもｘ軸と平行な方向に延伸している。梁部１２ａ、１２ｂの対はｘ方向において整列し、錘部１５のｙ方向の一端部から互いに逆方向（ｘ軸正方向およびｘ軸負方向）にそれぞれ支持部１０まで延伸している。梁部１２ｃ、１２ｄの対はｘ方向において整列し、錘部１５のｙ方向の他端部から互いに逆方向（ｘ軸正方向およびｘ軸負方向）にそれぞれ支持部１０まで延伸している。梁部１２と支持部１０と錘部１５は一方の主面がｘｙ平面と平行に整列している。すなわちｚ方向において相対的に厚い支持部１０と錘部１５のｚ方向の端部に対して、ｚ方向において相対的に薄い梁部１２が結合している。
【００２５】
錘部１５は、支持部１０に対して運動可能に４つの梁部１２によって支持されている。錘部１５は、支持部１０に対して固定されたｘｙｚ座標系において３次元運動する剛体として振る舞う。ｚ方向において相対的に厚い錘部１５のｚ方向の端部に対して、ｚ方向において相対的に薄い梁部１２が結合しているため、錘部１５の重心は梁部１２を含む平面からｚ方向に離間している。したがって、錘部１５にｘ方向またはｙ方向の慣性力が作用すると、錘部１５の重心の運動はｘ軸またはｙ軸周りの回転を伴う運動となる。
【００２６】
それぞれの梁部１２の表面の支持部１０との境界近傍に励振手段として駆動用圧電素子１３が設けられる。駆動用圧電素子１３に交流の駆動電圧を印加することによって錘部１５を振動させる。本実施形態では、ｘ軸方向の参照振動とｙ軸方向の参照振動とを時分割駆動によって異なる時に発生させる。なおｘ軸方向の参照振動とｙ軸方向の参照振動とを同時に発生させるには、たとえば駆動用圧電素子１３ａおよび駆動用圧電素子１３ｄに印加する駆動信号と駆動用圧電素子１３ｂおよび駆動用圧電素子１３ｃに印加する駆動信号との位相をずらせばよい。
【００２７】
梁部１２および錘部１５は、錘部１５の重心の固有振動数がｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向とで異なるように構成されている。これはｘ軸方向の参照振動がｙ軸およびｚ軸に漏れたり、ｚ軸方向の参照振動がｘ軸及びｙ軸に漏れる、所謂メカニカルカップリングを防止するためである。本実施例ではｚ軸方向、ｘ軸方向、ｙ軸方向の順に固有振動数が高くなるように梁部１２および錘部１５が構成されている（後記の表２参照）。
【００２８】
それぞれの梁部１２の表面の錘部１５との境界近傍に検出手段として検出用圧電素子１４が設けられる。検出用圧電素子１４は支持部１０に対する錘部１５の運動を検出する。
【００２９】
振動型角速度センサ１がｘ軸周りに回転するとｚ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｙ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｚ軸方向に振動している場合、ｘ軸周りの回転に伴うｙ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｘ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｚ軸の参照振動と同じ振動数においてｙ軸と平行に振動する。錘部１５の重心がｙ軸と平行に変位するとき、錘部１５のｘ軸周りの回転に伴って検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対と検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対とは伸縮が逆になる。すなわち、検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対が延びるとき検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対は縮み、検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対が縮むとき検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対は延びる。
【００３０】
振動型角速度センサ１がｙ軸周りに回転するとｘ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｚ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｘ軸方向に振動している場合、ｙ軸周りの回転に伴うｚ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｙ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｘ軸の参照振動と同じ振動数においてｚ軸と平行に振動する。錘部１５の重心がｚ軸と平行に変位するとき、４つの検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは伸縮方向が揃う。すなわち４つの検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは同時に延びるとともに同時に縮む。
【００３１】
振動型角速度センサ１がｚ軸周りに回転するとｘ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｙ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｘ軸方向に振動している場合、ｚ軸周りの回転に伴うｙ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｚ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｘ軸の参照振動と同じ振動数においてｙ軸と平行に振動する。
【００３２】
４つの検出用圧電素子１４の出力信号と駆動用圧電素子１３に印加する駆動信号とに基づいてｘｙｚの各軸周りの角速度を検出する回路と、駆動用圧電素子１３に印加する駆動信号を出力する回路とは、振動型角速度センサ１を構成するダイに形成しても良いし、振動型角速度センサ１を構成するダイとは別のダイに形成しても良い。
【００３３】
上述したように４つの梁部１２の固有振動数を維持しつつハードスプリング効果を抑制するために、ばね定数安定化手段として梁部１２毎にばね部１１が支持部１０に形成されている。ばね部１１は支持部１０の内周面近傍に形成された穴１０ｈと支持部１０の内周面との間に位置するＬ字形に屈曲した板状の部分であって、図１２においてハッチングによって示されている部分である。ばね部１１と支持部１０の残部とを隔てる穴１０ｈは支持部１０を貫通している。支持部１０を貫通している穴１０ｈによって支持部１０の残部と隔てられているばね部１１は、支持部１０の残部と同一の積層構造を有する。したがって、ばね部１１のｚ方向の長さＷは支持部１０の残部のｚ方向の長さと等しく一定である。ばね部１１は屈曲部を境にして一方がｙ軸と平行に延び他方がｘ軸と平行に延び、両端が支持部１０の残部と結合している。
【００３４】
ばね部１１のｙ軸と平行に延びる部分においてｚ方向の一端に梁部１２の一端が結合している。具体的には梁部１２を構成する２つの層１０４、１０６とがばね部１１をも構成し、層１０４、１０６がばね部１１および梁部１２わたって連続していることによって梁部１２がばね部１１に結合している。梁部１２との結合部においてばね部１１の主撓み方向はばね部１１の厚さ方向（ｘ方向）であって、梁部１２の延伸方向（錘部１５に結合する端と支持部１０に結合する端とを結ぶ方向）と一致している。梁部１２の張力に伴ってばね部１１の梁部１２との結合部がｘ軸方向に変位する。ばね部１１の梁部１２との結合部のｘ軸方向の変位とこの変位に伴うばね部１１のｘ軸方向の復元力との関係、すなわちばね部１１のｘ軸方向（梁部１２の延伸方向）のばね定数は、図１２Ｂおよび図１２Ｄに示す各部位の寸法Ｔ１、Ｔ２、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＷに相関する。ばね部１１のｘ軸方向のばね定数とＬ１、Ｌ２、Ｌ３との関係は負の相関である。ばね部１１のｘ軸方向のばね定数とＴ１、Ｔ２、Ｗとの関係は正の相関である。すなわちばね部１１のｘ軸方向のばね定数を大きくするには、板ばねの厚さに対応するＴ１およびＴ２ならびに板ばねの幅に対応するＷを大きくし、板ばねの長さに対応するＬ１、Ｌ２、およびＬ３を小さくすればよい。ばね部１１の形態は支持部１０に形成する穴１０ｈの位置および寸法によって設定される。穴１０ｈは支持部１０を貫通しているため、ばね部１１は二辺が支持部１０の残部に固定されている。穴１０ｈは支持部１０を貫通しない形態にしてもよく、この場合、ばね部１１は三辺が支持部１０の残部に固定される形態となる。ばね部１１の厚さＴ１、Ｔ２は屈曲部を境にして変えても良い。ばね部１１のｘ軸と平行に延びる部分を十分厚く（Ｔ２を大きく）かつ十分短く（Ｌ３を小さく）設計すると、ばね部１１のｙ軸と平行に延びる部分のみが実質的にばねとして機能する。ばね部１１のｚ方向の長さ（幅）Ｗは厚さＴ１、Ｔ２に比べて十分大きいため、ばね部１１のｚ方向のばね定数は実質的に無限大と考えられる。すなわち、ばね部１１は梁部１２の延伸方向であるｘ方向には弾性変形するが、梁部１２の主撓み方向であるｚ方向においては変形しない。ばね部１１と梁部１２との結合部が梁部１２の主撓み方向であるｚ方向に固定されている場合、その結合部がｚ方向に変位する場合に比べて錘部１５の固有振動数を高くすることができる。
【００３５】
図１２Ｂに示すように支持部１０と梁部１２と錘部１５のｚ方向の端面がｘｙ平面と平行に整列し、梁部１２が全く撓んでいない状態を初期状態とするとき、錘部１５が支持部１０に対して運動すると４つの梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの少なくともいずれか１つの張力が増大する。この張力の増大に応じてばね部１１が撓むため、張力の増大に伴う梁部１２の伸びとばね定数の増大が抑制される。具体的には例えば錘部１５の重心が初期状態からｚ方向に変位すると、４つの梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの張力がいずれも増大し、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにそれぞれ結合しているばね部１１ａ，１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの張力の増大に伴ってｘ軸方向に撓む。すなわち、梁部１２ａの伸びに伴う梁部１２ａのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ａによって、梁部１２ｂの伸びに伴う梁部１２ｂのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｂによって、梁部１２ｃの伸びに伴う梁部１２ｃのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｃによって、梁部１２ｄの伸びに伴う梁部１２ｄのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｄによって、それぞれ抑制される。
【００３６】
一方、梁部１２の主撓み方向であるｚ方向における梁部１２のばね定数に比べると、梁部１２の延伸方向であるｘ方向における梁部１２のばね定数は十分大きい。したがって、梁部１２のｚ方向のばね定数に比べてばね部１１のｘ方向のばね定数を十分大きく設定しても、梁部１２の伸びを抑制し、梁部１２のｚ方向のばね定数の増大を抑制できる。そして、梁部１２のｚ方向のばね定数に比べてばね部１１のｘ方向のばね定数を十分大きく設定することにより、錘部１５の重心の固有振動数の変化を抑制できる。
【００３７】
図４，５，６はばね部１１の各部の寸法を変えた場合に、錘部１５の重心の変位（振幅）と固有振動数の変化率がどのように変わるかをシミュレーションした結果を示すグラフである。シミュレーションにおけるばね部１１の寸法設定は次の表の通りである。
【表１】
【００３８】
シミュレーションの結果、ばね部１１の寸法を適切に設定することにより、錘部１５の重心の固有振動数の変化率をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸それぞれの方向において抑制できることが判明した。ここで固有振動数の変化率の許容範囲について考察する。ω０での振幅が１／２１／２になる振動数はω０±ω０／２Ｑである。そこで実用的な励振制御が可能な固有振動数の変化率の許容範囲を次式（１）、（２）のように定めるとする。
【数１】
【００３９】
ω０は目標とする固有振動数、ω'は固有振動数の許容範囲、ｋ０は微小変位に対するばね定数、ｋ'はばね定数の許容範囲である。Ｑ＝５０の場合、−１．００１ω０≦ω'≦１．００１ω０すなわち±０．１％が固有振動数の変化率の許容範囲となる。Ｑ＝１００の場合、−１．０００５ω０≦ω'≦１．０００５ω０すなわち±０．０５％が固有振動数の変化率の許容範囲となる。錘部１５の重心のｘ軸方向の参照振動とｚ軸方向の参照振動を時分割駆動によって個別に実現するとすれば、参照振動方向の切り替え時間を短縮するためにＱ＝５０程度がＱ値として適当とする。したがって錘部１５の重心のｘ軸方向の参照振動とｙ軸方向の参照振動を時分割駆動によって実現する場合、実用的な励振制御が可能な固有振動数の変化率の許容範囲としては±０．１％を１つの目安とする。
【００４０】
固有振動数の変化率の許容範囲を±０．１％とするとき、表１の寸法設定のうち、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向のいずれについても固有振動数の変化率の許容範囲内において錘部１５の重心の変位（振幅）を相対的に大きくすることができるのは寸法設定ｋ１である。したがって、表１に示す寸法設定のうちでは寸法設定ｋ１が最適な寸法設定であるといえる。
【００４１】
次にばね部１１がある場合と無い場合とで錘部１５の重心の固有振動数がどの程度変化するかについて考察する。表２はばね部１１がある場合（穴１０ｈがある場合）と無い場合とで錘部１５の重心の固有振動数がどの程度変化するかをシミュレーションした結果を示している。ばね部１１がある場合については表１に示した寸法設定ｋ１の設計条件を適用している。
【表２】
【００４２】
ｘ軸方向およびｚ軸方向の参照振動を時分割駆動によって個別に実現するとすれば、参照振動の他軸への漏れを低減するために各軸の固有振動数を適度（目安として１０％以上）にずらすことが好ましい。シミュレーションの結果、ばね部１１を追加しても各軸の固有振動数はほとんど変化せず、また各軸の固有振動数の関係も実質的に変化しないことが判明した。これはばね部１１のｘ方向のばね定数が梁部１２のｚ方向のばね定数に比べて十分大きく、ｚ方向においてはばね部１１によって梁部１２の一端が実質的に固定されていることに起因すると考えられる。なお、以上のシミュレーションにおいて用いた各梁部１２は、厚さ２５μｍの単結晶珪素層と厚さ０．５μｍの酸化珪素層からなる。各部の外形寸法の設定は次の通りである。
【００４３】
支持部１０
外周ｘ方向長さ：２６８０μｍ
外周ｙ方向長さ：２３６０μｍ
内周ｘ方向長さ：２１８０μｍ
内周ｙ方向長さ：１８６０μｍ
ｚ方向長さ：４４５μｍ
錘部１５
ｘ方向長さ：１９８０μｍ
ｙ方向長さ：１６６０μｍ
ｚ方向長さ：４４５μｍ
梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ
ｘ方向長さ（長さ）：５００μｍ
ｙ方向長さ（幅）：３３０μｍ
ｚ方向長さ（厚さ）：２５μｍ
【００４４】
次にばね部１１の追加による感度変化について考察する。
まず、ばね部１１が無くハードスプリング効果を考慮しない場合においてｚ軸方向に振幅２．３μｍの参照振動が得られ、ｘ軸方向に振幅５．２μｍの参照振動が得られるように、時分割駆動によりｘ軸方向及びｚ軸方向に個別に励振するとする。この条件で励振する場合にハードスプリング効果を考慮すればｚ軸方向の参照振動の振幅は０．８μｍとなり、ｘ軸方向の参照振動の振幅は１．２μｍとなる。この条件は、図７および図８に示すように固有振動数の変化率が±０．１％以内に収まる許容範囲内において参照振動の振幅を最大化する条件である。この条件でハードスプリング効果を考慮しないシミュレーションの結果は、ｚ軸方向の参照振動とｘ軸周りの回転に対する感度が１．７９μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｘ軸方向の参照振動とｚ軸周りの回転に対する感度が２．０６μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなった。しかし、この条件でハードスプリング効果を考慮すると、シミュレーションの結果は、ｚ軸方向の参照振動とｘ軸周りの回転に対する感度は０．６２μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇに激減し、ｘ軸方向の参照振動とｚ軸周りの回転に対する感度は０．４８μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇに激減する。
【００４５】
次に、上記表１に示した寸法条件ｋ１のばね部１１がある場合においてｚ軸方向に振幅２．３２μｍの参照振動が得られ、ｘ軸方向に振幅０．９７４μｍの参照振動が得られるように、時分割駆動によりｘ軸方向及びｚ軸方向に個別に励振するとする。この条件で励振する場合にハードスプリング効果を考慮すればｚ軸方向の参照振動の振幅が２．０μｍとなり、ｘ軸方向の参照振動の振幅が０．６６μｍとなる。この条件は、図９および図１０に示すように固有振動数の変化率が±０．１％以内に収まる許容範囲内において参照振動の振幅を最大化する条件である。この条件でハードスプリング効果を考慮しないシミュレーションの結果は、ｚ軸方向の参照振動とｘ軸周りの回転に対する感度が１．７７μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｚ軸方向の参照振動とｙ軸周りの回転に対する感度が２．６９μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｘ軸方向の参照振動とｚ軸周りの回転に対する感度が２．１１μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなった。この条件でハードスプリング効果を考慮すると、シミュレーションの結果は、ｚ軸方向の参照振動とｘ軸周りの回転に対する感度が１．５２μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｚ軸方向の参照振動とｙ軸周りの回転に対する感度が２．３１μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｘ軸方向の参照振動とｚ軸周りの回転に対する感度が１．４３μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなった。すなわち、ばね部１１がある場合においては、ハードスプリング効果による感度低下はばね部１１がない場合に比べて顕著に小さい。
【００４６】
以上のシミュレーション結果から、支持部１０にばね部１１を形成することによってｘｙｚのそれぞれの軸周りの回転に対する感度を格段に向上できることがわかる。また検出用圧電素子１４から出力される信号レベルが高いため、検出回路の構成を簡素にすることができる。また、支持部１０にばね部１１を形成することによって感度を高められるため、メカニカルカップリングを抑制しつつ振動型角速度センサ１を高い自由度で小さく設計することができる。
【００４７】
３．製造方法
図１３から図１６は図１１に示した振動型角速度センサ１の製造方法を示す断面図である。なお、図１５Ａおよび図１６Ａは図１２に示すＢＢ線断面を示し、図１５Ｂおよび図１６Ｂは図１２に示すＣＣ線断面を示す。
【００４８】
はじめに図１３に示すように、厚さ６２５μｍの単結晶珪素層１００と厚さ１μｍの酸化珪素層１０２と厚さ１０μｍの単結晶珪素層１０４からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を熱酸化することによって厚さ０．５μｍの絶縁層１０６を形成する。続いて絶縁層１０６の上にスパッタ法によって厚さ０．１μｍの白金からなる電極層１０８、厚さ３μｍのＰＺＴからなる圧電層１１０、厚さ０．１μｍの白金からなる電極層１１２を順に積層する。
【００４９】
次に図１４に示すようにフォトレジストからなる２種類の図示しない保護膜部を用いたミリング法によって電極層１０８、１１２および圧電層１１０を所定形状にパターニングする。その結果、電極層１０８、１１２および圧電層１１０からなる駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４、並びにおよび電極層１０８、１１２からなる図示しない配線要素（導線およびボンディングパッド）が形成される。
【００５０】
次に図１５に示すようにフォトレジストからなる図示しない保護膜部を用いた反応性イオンエッチングによって絶縁層１０６および単結晶珪素層１０４を所定形状にパターニングする。その結果、絶縁層１０６および単結晶珪素層１０４からなる梁部１２のパターンが形成されるとともにばね部１１および錘部１５の上層部が形成される。また、支持部１０にばね部１１を形成するための穴１０ｈの上層部が形成される。
【００５１】
次に図１６に示すようにフォトレジストからなる図示しない保護膜部を用いたＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって単結晶珪素層１００を所定形状にパターニングする。その結果、ばね部１１および錘部１５の下層部が形成される。また、支持部１０にばね部１１を形成するための穴１０ｈの下層部が形成される。
【００５２】
次に酸化珪素層１０２の露出している部分をエッチングによって除去する。その結果、支持部１０の穴１０ｈが貫通し、梁部１２、ばね部１１および錘部１５がリリースされる。その後、ダイシング等の後工程を実施すると、図１１および図１２に示す振動型角速度センサ１が完成する。
【００５３】
支持部１０の穴１０ｈが支持部１０を貫通しているためにばね部１１が支持部１０の残部と同一の層構造を有する場合、ばね部１１が無い支持部１０を製造する場合と保護膜部のパターンが異なるだけでその他は全く同一である上記の製造方法によって、ばね部１１を形成することができる。すなわち、支持部１０を貫通する穴１０ｈによってばね部１１が形成される場合には、プロセスを追加すること無しにばね部１１を形成することができる。
【００５４】
４．変形例
図１７から図２８は、互いに平行な４つの梁部１２によって錘部１５を支持する振動型角速度センサ１の変形例を示している。図１７から図２８に示す振動型角速度センサ１ｂ〜１ｐは、ｚ方向から見た形状のみが図１１および図１２に示した振動型角速度センサ１と異なり、支持部１０、錘部１５、梁部１２、駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４の積層構造は振動型角速度センサ１と同一である。図１７から図１９、図２４、図２５においてハッチングによって示すように、ばね定数安定化手段としてのばね部１１、１６はＵ字形に曲がった板ばねの形態を有していても良い。図２０、図２３、図２５、図２６、図２７および図２８においてハッチングによって示すように、ばね定数安定化手段としてのばね部１１、１６は平板な板ばねの形態を有していても良いし、一端が支持部１０または錘部１５の残部に結合し他端は支持部１０または錘部１５の残部に対する自由端として構成された板ばねの形態を有していても良い。要するに、ばね定数安定化手段は、主撓み方向が梁部１２の延伸方向に一致するとともに主撓み方向において梁部と結合している板ばねの形態を有していればよい。支持部１０または錘部１５に切り欠き１０ｓ、１５ｓを形成すると、一端のみが支持部１０または錘部１５の残部に結合している板ばねの形態を有するばね部１１、１６を狭い領域に形成することができる。切り欠き１０ｓ、１５ｓは、振動型角速度センサを積層方向（ｚ方向）に貫通していても良いし、貫通していなくても良い。また図１８、図１９、図２１、図２２、図２４、図２５、図２７、図２８においてハッチングによって示すように、錘部１５にばね部１６をばね定数安定化手段として形成しても良い。また図１９、図２２、図２５、図２８においてハッチングによって示すように支持部１０および錘部１５の両方にばね定数安定化手段としてばね部１１、１６を形成しても良い。要するに、ばね定数安定化手段は支持部１０および錘部１５の少なくとも一方に形成され、梁部１２の延伸方向の両端の少なくとも一方に結合している板ばねの形態を有していればよい。
【００５５】
５．第二実施例
図２９は本発明にかかる振動型角速度センサの第二実施例を示している。振動型角速度センサ２においては、４つの梁部１２が枠形の支持部１０の内側に十字形に配置され、それぞれの梁部１２は支持部１０の内側の４辺と錘部１５の中央部に結合している。すなわち梁部１２ａと梁部１２ｃの対は錘部１５の中央部からｙ軸正方向とｙ軸負方向に支持部１０まで延伸し、梁部１２ｂと梁部１２ｄの対は梁部１２の中央部からｘ軸正方向とｘ軸負方向に支持部１０まで延伸している。
【００５６】
ばね定数安定化手段としてのばね部１１は支持部１０の各梁部１２との境界近傍に形成されている。具体的には次の通りである。支持部１０の矩形状に屈折する内周面を構成する４つの側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに近接する領域において支持部１０に４つの穴１０ｈが形成されている。穴１０ｈと側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとの間が平板状のばね部１１を構成している。ばね部１１の形態は穴１０ｈの長さと幅と深さと、側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄからの距離とによって決まる。ばね部１１の積層構造は支持部１０の残部の積層構造と同一である。したがって支持部１０の厚さであるｚ軸方向の長さはばね部１１を含む全体において一定である。したがってばね部１１のｚ方向のばね係数は実質的に無限大とみなせるほど大きい。ばね部１１自体の厚さは、穴１０ｈと側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとの距離と等しくなる。ばね部１１の主撓み方向はばね部１１の厚さ方向であって、梁部１２の延伸方向（錘部１５に結合する端と支持部１０に結合する端とを結ぶ方向）と一致している。
【００５７】
それぞれの梁部１２の一端は各ばね部１１の長さ方向の中間部のｚ方向の一端に結合している。４つの梁部１２の他端は錘部１５の中央部のｚ方向の一端に結合している。具体的には梁部１２を構成する２つの層１０４、１０６とがばね部１１および錘部１５をも構成し、層１０４、１０６がばね部１１、錘部１５および梁部１２にわたって連続していることによって梁部１２がばね部１１と錘部１５とに結合している。梁部１２は、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い層を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分薄い。したがって４つの梁部１２は、それぞれ一端が支持部１０に固定された弾性梁として振る舞う。
【００５８】
錘部１５は４つの梁部１２と結合している中央部と、中央部から隣り合う梁部１２の間に突出する４つの周辺部とが結合した形態を有する。錘部１５は支持部１０を構成している複数の層のうち突出して厚い層１００を含むため、支持部１０に対して３次元運動する剛体として振る舞う。中央部は梁部１２を構成している層を含む支持部１０と同一の積層構造を有し、周辺部は梁部１２を構成している層を含まない。
【００５９】
振動型角速度センサ２においても、第一実施例と同様にばね部１１が梁部１２の張力に応じて梁部１２の延伸方向に撓むため、感度が向上する。
【００６０】
６．第三実施例
本発明は錘部を梁部によって支持する構成の振動型角速度センサのみならず、周囲が支持部に固定された膜部によって錘部を支持する構成の振動型角速度センサにも適用できる。図３２は本発明にかかる振動型角速度センサの第三実施例を示している。
【００６１】
本発明の第三実施例である振動型角速度センサ３は、上述した他の実施例にかかる振動型角速度センサと同一の積層構造を有する積層構造体であって、図示しないパッケージに収容される。振動型角速度センサ３には、第二実施例と同一構成の支持部１０、支持部１０と局所的に結合している筒部１７、筒部１７の内側に張り渡されている環状の膜部１８、膜部１８の内周と結合している錘部１５などが形成されている。
【００６２】
膜部１８は環状である。膜部１８の内周全体に錘部１５が結合している。膜部１８の外周全体に筒部１７が結合している。具体的には、膜部１８を構成している層１０４，１０６が錘部１５および支持部１０をも構成し、層１０４，１０６が錘部１５、膜部１８および支持部１０にわたって連続していることによって膜部１８は錘部１５および支持部１０と結合している。膜部１８は支持部１０を構成している最も厚い膜部１００を含まないため、外周に対して内周がｚ方向に変位可能な弾性膜として振る舞う。
【００６３】
筒部１７は、支持部１０と同一の積層構造を有し、膜部１８の幅方向に薄い枠の形態を有する。このため、筒部１７は膜部１８の張力に応じて内側に弾性変形する。膜部１８の外周に対して膜部１８の内周がｚ方向に変位するとき、膜部１８の張力は膜部の幅が狭くなる領域において大きくなる。すなわち、本実施例では膜部１８および筒部１７が矩形環状であるため、筒部１７を構成している４つの平板領域のそれぞれの中央部においては膜部１８の張力が筒部１７の４つの平板領域の境界に相当する角部に比べて大きくなる。なお、膜部１８を内周から外周に横断する方向の長さを膜部１８の幅というものとする。
【００６４】
筒部１７は４つの平板領域のそれぞれの中央部においてばね部１１と結合している。すなわち、相対的に膜部１８の大きな張力が作用する部分において筒部１７はばね部１１と結合している。
【００６５】
駆動用圧電素子１３は筒部１７に対して錘部１５の重心を振動させるための励振手段である。
検出用圧電素子１４は筒部１７に対する錘部１５の重心の運動を検出するための検出手段である。
【００６６】
膜部１８の内周の外周に対するｚ方向の変位の増大に伴って膜部１８の張力が増大する。膜部１８の張力に応じてばね部１１は主撓み方向（厚さ方向）に撓むため、筒部１７は内側に撓む。このため、膜部１８の内周の外周に対するｚ方向の変位の増大に伴う膜部１８の伸びが抑制される。その結果、膜部１８のハードスプリング効果が抑制される。
【００６７】
すなわち、本実施例においては、ばね部１１が膜部１８の張力に応じて膜部１８の幅方向に撓むため、振動型角速度センサ３の感度が向上する。
【００６８】
７．変形例
図３１は本発明にかかる振動型角速度センサの第三実施例の変形例を示している。図３１に示すように、膜部１８を円環状に形成するとともに筒部１７を円筒状に形成してもよい。また、ばね部１１を円弧状に曲がった板ばねとして形成しても良い。
【００６９】
８．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、膜部によって錘部を支持する振動型角速度センサにおいても、ばね部の一端が支持部の残部に固定され、ばね部の他端は支持部に対する自由端として構成されていても良い。また、ばね定数安定化手段は板ばねの形態に限らず、例えば梁部との境界近傍において支持部または錘部を積層方向に貫通する穴によって梁部の延伸方向において剛性が低下した領域をばね定数安定化手段として構成しても良いし、支持部または錘部を積層方向に貫通する複数の穴によって形成されるハニカム構造をばね定数安定化手段として構成しても良い。また錘部を励振する励振手段は、静電引力や電磁力を用いて実現しても良い。また錘部の運動を検出する検出手段は、静電容量やピエゾ抵抗効果を用いて実現しても良い。また上記実施形態で示した材質や寸法や製造方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である変形例については説明が省略されている。
【符号の説明】
【００７０】
１：振動型角速度センサ、２：振動型角速度センサ、３：振動型角速度センサ、１０：支持部、１０ｈ：穴、１１ａ：ばね部、１１ｂ：ばね部、１１ｃ：ばね部、１１ｄ：ばね部、１２ａ：梁部、１２ｂ：梁部、１２ｃ：梁部、１２ｄ：梁部、１３ａ：駆動用圧電素子、１３ｂ：駆動用圧電素子、１３ｃ：駆動用圧電素子、１３ｄ：駆動用圧電素子、１４ａ：検出用圧電素子、１４ｂ：検出用圧電素子、１４ｃ：検出用圧電素子、１４ｄ：検出用圧電素子、１５：錘部、１６ｂ：ばね部、１６ｃ：ばね部、１６ｄ：ばね部、１６ｅ：ばね部、１７：筒部、１８：膜部、１００：単結晶珪素層、１０２：酸化珪素層、１０４：単結晶珪素層、１０６：絶縁層、１０８：電極層、１１０：圧電層、１１２：電極層、Ｒ：梁、Ｓ１：支持体、Ｓ２：支持体
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動型角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される振動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサが知られている。振動型角速度センサでは、参照振動の振幅が大きくなるほど感度が高くなる。したがって錘部は錘部の形態と錘部を支持する弾性体の形態とで決まる固有振動数の近傍の振動数において励振される。しかし、錘部を支持する弾性体が延びると弾性体のばね定数が変化し、それにともなって固有振動数が変化する。このような固有振動数の変化はハードスプリング効果といわれる。一定の振幅に対しては弾性体が小型化するほどハードスプリング効果が起こりやすい。ハードスプリング効果による固有振動数の変化に追従して励振することは困難であるため、振動型角速度センサが小型化するほど振幅の大きな参照振動を実現することは困難になる。特許文献１、２，３に記載されているように、錘部を支持する弾性体としての梁部が例えばＴ字形である等、錘部を支持する弾性体としての梁部に屈曲部があるとハードスプリング効果による固有振動数の変化は起こりにくくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１９９７１４号公報
【特許文献２】特開２００７−３３３６６５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ００−０７９２８８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、屈曲部を形成するなどして梁部自体を柔らかくするとばね定数と固有振動数が大幅に低下する。したがって、従来の方法では、目標とする固有振動数を維持しながら弾性体のハードスプリング効果を低減することはできない。すなわち、振動型角速度センサには、小型化するほど、振幅の大きな参照振動を実現することは困難になるとともに感度を高めにくくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、この問題を解決するために創作されたものであって、小型で感度が高い振動型角速度センサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、支持部と、錘部と、前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、前記錘部を励振する励振手段と、前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、を備える。
【０００７】
本発明によると梁部の張力に応じてばね定数安定化手段が梁部の延伸方向に弾性変形することによって梁部の伸びが抑制される。このため本発明によると、錘部の参照振動の振幅を大きくしても、ハードスプリング効果による固有振動数の変化を抑えることができる。すなわち本発明によると感度が高い振動型角速度センサを実現できる。また梁部の延伸方向のばね定数は梁部の主撓み方向のばね定数に比べて格段に大きい。したがって梁部の延伸方向におけるばね定数安定化手段のばね定数が相当大きくても、梁部のハードスプリング効果を抑制できる。梁部の延伸方向におけるばね定数安定化手段のばね定数を十分大きく設定することによって、ばね定数安定化手段によって錘部の固有振動数が大幅に低くなることを防止できる。なお、本明細書において、主撓み方向とは、板状の構造体を厚さ方向に撓ませる任意の変位方向である。また、厚さ方向とは板状の構造体の寸法について最も長さが短くなる方向である。
【０００８】
（２）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記ばね定数安定化手段は、主撓み方向が前記梁部の延伸方向に一致するとともに当該主撓み方向において前記梁部と結合している板ばねの形態を有してもよい。
本発明によると板ばねの形態を有するばね定数安定化手段が梁部の延伸方向に撓むことによって梁部の伸びが抑制される。このため感度が高い振動型角速度センサを実現できる。また板ばねの形態を有するばね定数安定化手段の主撓み方向のばね定数を十分大きく設定することによって、錘部の固有振動数が大幅に低くなることを防止できる。
【０００９】
（３）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する穴によって前記ばね定数安定化手段が形成されていてもよい。
本発明によると、ばね定数安定化手段と支持部または錘部の残部との積層構造が同一になるため、ばね定数安定化手段を簡素な製造プロセスの中で形成することができる。
【００１０】
（４）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する切り欠きによって前記ばね定数安定化手段が形成されていてもよい。
本発明によると、ばね定数安定化手段と支持部または錘部の残部との積層構造が同一になるため、ばね定数安定化手段を簡素な製造プロセスの中で形成することができる。
【００１１】
（５）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記梁部の延伸方向における前記ばね定数安定化手段のばね定数は前記梁部の延伸方向における前記梁部のばね定数より小さくてもよい。
本発明によると、ハードスプリング効果の抑制効果が高まる。
【００１２】
（６）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、環状の膜部と、前記膜部の外周と結合している筒部と、前記膜部の内周と結合している錘部と、前記錘部を励振する励振手段と、前記筒部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、前記筒部を囲む支持部と、前記支持部に形成され、主撓み方向が前記膜部の幅方向に一致するとともに前記主撓み方向において前記筒部と結合している板ばねの形態を有するばね定数安定化手段と、を備える。
【００１３】
本発明によると板ばねの形態を有するばね定数安定化手段が環状の膜部の幅方向に撓むことによって筒部の径が縮小し、膜部の伸びが抑制される。このため本発明によると、錘部の参照振動の振幅を大きくしても、ハードスプリング効果による固有振動数の変化を抑えることができる。すなわち本発明によると感度が高い振動型角速度センサを実現できる。また膜部の幅方向のばね定数は膜部の厚み方向のばね定数に比べて格段に大きい。したがってばね定数安定化手段の主撓み方向のばね定数が相当大きくても、膜部のハードスプリング効果を抑制できる。板ばねの形態を有するばね定数安定化手段の主撓み方向のばね定数を十分大きく設定することによって、ばね定数安定化手段によって錘部の固有振動数が大幅に低くなることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１Ａは本発明の実施形態にかかる斜視図。図１Ｂおよび図１Ｃは本発明の実施形態にかかる側面図。
【図２】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図３】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図４】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図５】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図６】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図７】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図８】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図９】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図１０】本発明の実施形態にかかるグラフ。
【図１１】本発明の実施形態にかかる斜視図。
【図１２】図１２Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図１２Ｂは図１２Ａに示すＢＢ線断面図。図１２Ｃは図１２Ａに示すＣＣ線断面図。図１２Ｄは図１２Ａの部分図。
【図１３】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１４】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１５】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１６】本発明の実施形態にかかる断面図。
【図１７】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図１８】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図１９】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２０】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２１】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２２】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２３】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２４】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２５】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２６】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２７】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２８】本発明の実施形態にかかる上面図。
【図２９】図２９Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図２９Ｂは図２９Ａに示すＢＢ線断面図。図２９Ｃは図２９Ａに示すＣＣ線断面図。
【図３０】図３０Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図３０Ｂは図３０Ａに示すＢＢ線断面図。図３０Ｃは図３０Ａに示すＣＣ線断面図。
【図３１】図３１Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図３１Ｂは図３１Ａに示すＢＢ線断面図。図３１Ｃは図３１Ａに示すＣＣ線断面図。図３１Ｄは図３１Ａに示すＤＤ線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．ハードスプリング効果とその抑制原理
図１Ａに示すように梁Ｒの両端が２つの支持体Ｓ１、Ｓ２に固定されているとき、梁Ｒの厚さ方向について変位ａと復元力Ｆの関係を考える。梁Ｒの中間点の変位ａが小さい範囲ではフックの法則Ｆ＝ｋａが近似的に成立する。ばね定数ｋは変位ａの関数であって、変位ａが大きくなるとばね定数ｋは大きくなり梁Ｒはばねとして硬くなる。
【００１６】
図２は梁Ｒを励振する駆動電圧の大きさ（振幅）毎に梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係を示したグラフである。駆動電圧Ｖが大きくなるほど梁Ｒの振幅は増大する。また駆動電圧Ｖの振動数が固有振動数に近くなるほど梁Ｒの振幅は増大する。相対的に高い駆動電圧Ｖ４において励振する場合、相対的に低い駆動電圧Ｖ１において励振するよりも高い振動数において梁Ｒの振幅が極大になる。すなわち、梁Ｒの中間点の振幅が大きくなると梁Ｒの中間点の固有振動数が高くなる。これは梁Ｒの中間点の変位ａの増大に伴って梁Ｒの主撓み方向である厚さ方向のばね定数ｋが大きくなるからである。これをハードスプリング効果という。
【００１７】
相対的に低い駆動電圧Ｖ１において励振する場合、梁Ｒの中間点の振幅が極大になる固有振動数を境にして梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係は対称である。一方、相対的に高い駆動電圧Ｖ４において励振する場合、図３において実線によって示すように、梁Ｒの中間点の振幅が極大になる固有振動数よりも高い振動数において振動する範囲では振動数に対する振幅の変化率の絶対値が、振幅が極大になる固有振動数よりも低い振動数において振動する範囲に比べて大きくなる。振動数に対する振幅の変化率の絶対値が大きくなると、駆動電圧によって振幅を制御することが困難になる。すなわち大きな振幅で梁Ｒを安定して励振することは困難である。なお、図３に示すグラフにおいて、実線は駆動電圧Ｖ４において梁Ｒを励振するときに梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係を示し、破線は振幅が極大となる振動数を境にして梁Ｒの中間点の振動数と振幅の関係が対称である関係を示している。
【００１８】
ところで図１Ｂに示すように支持体Ｓ１、Ｓ２の位置が相対的に固定されているとき、変位ａが大きくなるほど梁Ｒが延びる。そこで変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることにより、ハードスプリング効果を抑制する。
【００１９】
図１Ｃに示すように、梁Ｒの両端が固定されている支持体Ｓ１、Ｓ２の距離ｄが変位ａの増加に伴って減少するように梁Ｒを支持すると、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることができる。すなわち、梁Ｒの張力に応じて支持体Ｓ１、Ｓ２の距離ｄが縮むとき、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることができる。したがって、支持体Ｓ１および支持体Ｓ２の少なくとも一方を、梁Ｒの延伸方向においてばねとして機能させることによってハードスプリング効果を抑制できる。
【００２０】
ただし、支持体Ｓ１および支持体Ｓ２の少なくとも一方を、梁Ｒの延伸方向においてばねとして機能させると、支持体Ｓ１、Ｓ２の位置を相対的に固定する場合に比べて梁Ｒの中間点の固有振動数は低くなる。したがって、梁Ｒの中間点の固有振動数を維持するには、梁Ｒの長さ方向における支持体Ｓ１および支持体Ｓ２のばね定数は大きいほど好ましい。また、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくするためには、梁Ｒの長さ方向における支持体Ｓ１および支持体Ｓ２のばね定数は、梁Ｒの延伸方向における梁Ｒのばね定数よりも小さいことが好ましい。
【００２１】
なお、支持体Ｓ１、Ｓ２が梁Ｒの中間点の振動方向と同じ方向にばねとして振動するように構成すると、梁Ｒの中間点の固有振動数が大きく変動する。したがって、支持体Ｓ１、Ｓ２は、梁Ｒの延伸方向においてはばねとして機能し、梁Ｒの中間点の振動方向においては実質的な剛体として機能するように構成される。すなわち、支持体Ｓ１、Ｓ２は、主撓み方向が梁Ｒの延伸方向に一致するとともに主撓み方向において梁Ｒと結合している板ばねの形態とする。板ばねは、厚さ方向に成分を持つ主撓み方向についてはばね定数が小さく、厚さ方向と垂直な面と平行な方向についてはばね定数は実質的に無限大として扱えるほど大きい。したがって、支持体Ｓ１、Ｓ２は、厚さ方向が梁Ｒの延伸方向に一致するとともに厚さ方向において梁Ｒと結合している板ばねの形態とすればよい。
【００２２】
２．第一実施例
図１１および図１２は本発明による振動型角速度センサの第一実施例を示している。説明の便宜のために図１１および図１２に示すように直交するｘｙｚ軸を定める。振動型角速度センサ１は、ＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの積層構造体であって、図示しないパッケージに収容される。振動型角速度センサ１には、枠形の支持部１０、底面が十字形の柱体である錘部１５、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄなどが形成されている。
【００２３】
支持部１０はパッケージに固定され、梁部１２に比べて十分厚いため、実質的に剛体として振る舞う。支持部１０は内側に梁部１２および錘部１５が収まる空間を形成し実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。
【００２４】
４つの梁部１２は、いずれも一端が支持部１０に他端が錘部１５に結合している。具体的には梁部１２を構成する２つの層１０４と１０６とが支持部１０および錘部１５をも構成し、層１０４，１０６が錘部１５、梁部１２および支持部１０にわたって連続しているていることによって梁部１２が支持部１０と錘部１５とに結合している。４つの梁部１２は、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い層１００を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分ｚ方向に薄い。したがって４つの梁部１２は、それぞれ一端が支持部１０に固定された弾性梁として振る舞う。４つの梁部１２は、ｘｙ平面と平行に整列し、いずれもｘ軸と平行な方向に延伸している。梁部１２ａ、１２ｂの対はｘ方向において整列し、錘部１５のｙ方向の一端部から互いに逆方向（ｘ軸正方向およびｘ軸負方向）にそれぞれ支持部１０まで延伸している。梁部１２ｃ、１２ｄの対はｘ方向において整列し、錘部１５のｙ方向の他端部から互いに逆方向（ｘ軸正方向およびｘ軸負方向）にそれぞれ支持部１０まで延伸している。梁部１２と支持部１０と錘部１５は一方の主面がｘｙ平面と平行に整列している。すなわちｚ方向において相対的に厚い支持部１０と錘部１５のｚ方向の端部に対して、ｚ方向において相対的に薄い梁部１２が結合している。
【００２５】
錘部１５は、支持部１０に対して運動可能に４つの梁部１２によって支持されている。錘部１５は、支持部１０に対して固定されたｘｙｚ座標系において３次元運動する剛体として振る舞う。ｚ方向において相対的に厚い錘部１５のｚ方向の端部に対して、ｚ方向において相対的に薄い梁部１２が結合しているため、錘部１５の重心は梁部１２を含む平面からｚ方向に離間している。したがって、錘部１５にｘ方向またはｙ方向の慣性力が作用すると、錘部１５の重心の運動はｘ軸またはｙ軸周りの回転を伴う運動となる。
【００２６】
それぞれの梁部１２の表面の支持部１０との境界近傍に励振手段として駆動用圧電素子１３が設けられる。駆動用圧電素子１３に交流の駆動電圧を印加することによって錘部１５を振動させる。本実施形態では、ｘ軸方向の参照振動とｙ軸方向の参照振動とを時分割駆動によって異なる時に発生させる。なおｘ軸方向の参照振動とｙ軸方向の参照振動とを同時に発生させるには、たとえば駆動用圧電素子１３ａおよび駆動用圧電素子１３ｄに印加する駆動信号と駆動用圧電素子１３ｂおよび駆動用圧電素子１３ｃに印加する駆動信号との位相をずらせばよい。
【００２７】
梁部１２および錘部１５は、錘部１５の重心の固有振動数がｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向とで異なるように構成されている。これはｘ軸方向の参照振動がｙ軸およびｚ軸に漏れたり、ｚ軸方向の参照振動がｘ軸及びｙ軸に漏れる、所謂メカニカルカップリングを防止するためである。本実施例ではｚ軸方向、ｘ軸方向、ｙ軸方向の順に固有振動数が高くなるように梁部１２および錘部１５が構成されている（後記の表２参照）。
【００２８】
それぞれの梁部１２の表面の錘部１５との境界近傍に検出手段として検出用圧電素子１４が設けられる。検出用圧電素子１４は支持部１０に対する錘部１５の運動を検出する。
【００２９】
振動型角速度センサ１がｘ軸周りに回転するとｚ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｙ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｚ軸方向に振動している場合、ｘ軸周りの回転に伴うｙ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｘ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｚ軸の参照振動と同じ振動数においてｙ軸と平行に振動する。錘部１５の重心がｙ軸と平行に変位するとき、錘部１５のｘ軸周りの回転に伴って検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対と検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対とは伸縮が逆になる。すなわち、検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対が延びるとき検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対は縮み、検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対が縮むとき検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対は延びる。
【００３０】
振動型角速度センサ１がｙ軸周りに回転するとｘ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｚ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｘ軸方向に振動している場合、ｙ軸周りの回転に伴うｚ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｙ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｘ軸の参照振動と同じ振動数においてｚ軸と平行に振動する。錘部１５の重心がｚ軸と平行に変位するとき、４つの検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは伸縮方向が揃う。すなわち４つの検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは同時に延びるとともに同時に縮む。
【００３１】
振動型角速度センサ１がｚ軸周りに回転するとｘ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｙ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｘ軸方向に振動している場合、ｚ軸周りの回転に伴うｙ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｚ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｘ軸の参照振動と同じ振動数においてｙ軸と平行に振動する。
【００３２】
４つの検出用圧電素子１４の出力信号と駆動用圧電素子１３に印加する駆動信号とに基づいてｘｙｚの各軸周りの角速度を検出する回路と、駆動用圧電素子１３に印加する駆動信号を出力する回路とは、振動型角速度センサ１を構成するダイに形成しても良いし、振動型角速度センサ１を構成するダイとは別のダイに形成しても良い。
【００３３】
上述したように４つの梁部１２の固有振動数を維持しつつハードスプリング効果を抑制するために、ばね定数安定化手段として梁部１２毎にばね部１１が支持部１０に形成されている。ばね部１１は支持部１０の内周面近傍に形成された穴１０ｈと支持部１０の内周面との間に位置するＬ字形に屈曲した板状の部分であって、図１２においてハッチングによって示されている部分である。ばね部１１と支持部１０の残部とを隔てる穴１０ｈは支持部１０を貫通している。支持部１０を貫通している穴１０ｈによって支持部１０の残部と隔てられているばね部１１は、支持部１０の残部と同一の積層構造を有する。したがって、ばね部１１のｚ方向の長さＷは支持部１０の残部のｚ方向の長さと等しく一定である。ばね部１１は屈曲部を境にして一方がｙ軸と平行に延び他方がｘ軸と平行に延び、両端が支持部１０の残部と結合している。
【００３４】
ばね部１１のｙ軸と平行に延びる部分においてｚ方向の一端に梁部１２の一端が結合している。具体的には梁部１２を構成する２つの層１０４、１０６とがばね部１１をも構成し、層１０４、１０６がばね部１１および梁部１２わたって連続していることによって梁部１２がばね部１１に結合している。梁部１２との結合部においてばね部１１の主撓み方向はばね部１１の厚さ方向（ｘ方向）であって、梁部１２の延伸方向（錘部１５に結合する端と支持部１０に結合する端とを結ぶ方向）と一致している。梁部１２の張力に伴ってばね部１１の梁部１２との結合部がｘ軸方向に変位する。ばね部１１の梁部１２との結合部のｘ軸方向の変位とこの変位に伴うばね部１１のｘ軸方向の復元力との関係、すなわちばね部１１のｘ軸方向（梁部１２の延伸方向）のばね定数は、図１２Ｂおよび図１２Ｄに示す各部位の寸法Ｔ１、Ｔ２、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＷに相関する。ばね部１１のｘ軸方向のばね定数とＬ１、Ｌ２、Ｌ３との関係は負の相関である。ばね部１１のｘ軸方向のばね定数とＴ１、Ｔ２、Ｗとの関係は正の相関である。すなわちばね部１１のｘ軸方向のばね定数を大きくするには、板ばねの厚さに対応するＴ１およびＴ２ならびに板ばねの幅に対応するＷを大きくし、板ばねの長さに対応するＬ１、Ｌ２、およびＬ３を小さくすればよい。ばね部１１の形態は支持部１０に形成する穴１０ｈの位置および寸法によって設定される。穴１０ｈは支持部１０を貫通しているため、ばね部１１は二辺が支持部１０の残部に固定されている。穴１０ｈは支持部１０を貫通しない形態にしてもよく、この場合、ばね部１１は三辺が支持部１０の残部に固定される形態となる。ばね部１１の厚さＴ１、Ｔ２は屈曲部を境にして変えても良い。ばね部１１のｘ軸と平行に延びる部分を十分厚く（Ｔ２を大きく）かつ十分短く（Ｌ３を小さく）設計すると、ばね部１１のｙ軸と平行に延びる部分のみが実質的にばねとして機能する。ばね部１１のｚ方向の長さ（幅）Ｗは厚さＴ１、Ｔ２に比べて十分大きいため、ばね部１１のｚ方向のばね定数は実質的に無限大と考えられる。すなわち、ばね部１１は梁部１２の延伸方向であるｘ方向には弾性変形するが、梁部１２の主撓み方向であるｚ方向においては変形しない。ばね部１１と梁部１２との結合部が梁部１２の主撓み方向であるｚ方向に固定されている場合、その結合部がｚ方向に変位する場合に比べて錘部１５の固有振動数を高くすることができる。
【００３５】
図１２Ｂに示すように支持部１０と梁部１２と錘部１５のｚ方向の端面がｘｙ平面と平行に整列し、梁部１２が全く撓んでいない状態を初期状態とするとき、錘部１５が支持部１０に対して運動すると４つの梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの少なくともいずれか１つの張力が増大する。この張力の増大に応じてばね部１１が撓むため、張力の増大に伴う梁部１２の伸びとばね定数の増大が抑制される。具体的には例えば錘部１５の重心が初期状態からｚ方向に変位すると、４つの梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの張力がいずれも増大し、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにそれぞれ結合しているばね部１１ａ，１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの張力の増大に伴ってｘ軸方向に撓む。すなわち、梁部１２ａの伸びに伴う梁部１２ａのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ａによって、梁部１２ｂの伸びに伴う梁部１２ｂのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｂによって、梁部１２ｃの伸びに伴う梁部１２ｃのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｃによって、梁部１２ｄの伸びに伴う梁部１２ｄのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｄによって、それぞれ抑制される。
【００３６】
一方、梁部１２の主撓み方向であるｚ方向における梁部１２のばね定数に比べると、梁部１２の延伸方向であるｘ方向における梁部１２のばね定数は十分大きい。したがって、梁部１２のｚ方向のばね定数に比べてばね部１１のｘ方向のばね定数を十分大きく設定しても、梁部１２の伸びを抑制し、梁部１２のｚ方向のばね定数の増大を抑制できる。そして、梁部１２のｚ方向のばね定数に比べてばね部１１のｘ方向のばね定数を十分大きく設定することにより、錘部１５の重心の固有振動数の変化を抑制できる。
【００３７】
図４，５，６はばね部１１の各部の寸法を変えた場合に、錘部１５の重心の変位（振幅）と固有振動数の変化率がどのように変わるかをシミュレーションした結果を示すグラフである。シミュレーションにおけるばね部１１の寸法設定は次の表の通りである。
【表１】
【００３８】
シミュレーションの結果、ばね部１１の寸法を適切に設定することにより、錘部１５の重心の固有振動数の変化率をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸それぞれの方向において抑制できることが判明した。ここで固有振動数の変化率の許容範囲について考察する。ω０での振幅が１／２１／２になる振動数はω０±ω０／２Ｑである。そこで実用的な励振制御が可能な固有振動数の変化率の許容範囲を次式（１）、（２）のように定めるとする。
【数１】
【００３９】
ω０は目標とする固有振動数、ω'は固有振動数の許容範囲、ｋ０は微小変位に対するばね定数、ｋ'はばね定数の許容範囲である。Ｑ＝５０の場合、−１．００１ω０≦ω'≦１．００１ω０すなわち±０．１％が固有振動数の変化率の許容範囲となる。Ｑ＝１００の場合、−１．０００５ω０≦ω'≦１．０００５ω０すなわち±０．０５％が固有振動数の変化率の許容範囲となる。錘部１５の重心のｘ軸方向の参照振動とｚ軸方向の参照振動を時分割駆動によって個別に実現するとすれば、参照振動方向の切り替え時間を短縮するためにＱ＝５０程度がＱ値として適当とする。したがって錘部１５の重心のｘ軸方向の参照振動とｙ軸方向の参照振動を時分割駆動によって実現する場合、実用的な励振制御が可能な固有振動数の変化率の許容範囲としては±０．１％を１つの目安とする。
【００４０】
固有振動数の変化率の許容範囲を±０．１％とするとき、表１の寸法設定のうち、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向のいずれについても固有振動数の変化率の許容範囲内において錘部１５の重心の変位（振幅）を相対的に大きくすることができるのは寸法設定ｋ１である。したがって、表１に示す寸法設定のうちでは寸法設定ｋ１が最適な寸法設定であるといえる。
【００４１】
次にばね部１１がある場合と無い場合とで錘部１５の重心の固有振動数がどの程度変化するかについて考察する。表２はばね部１１がある場合（穴１０ｈがある場合）と無い場合とで錘部１５の重心の固有振動数がどの程度変化するかをシミュレーションした結果を示している。ばね部１１がある場合については表１に示した寸法設定ｋ１の設計条件を適用している。
【表２】
【００４２】
ｘ軸方向およびｚ軸方向の参照振動を時分割駆動によって個別に実現するとすれば、参照振動の他軸への漏れを低減するために各軸の固有振動数を適度（目安として１０％以上）にずらすことが好ましい。シミュレーションの結果、ばね部１１を追加しても各軸の固有振動数はほとんど変化せず、また各軸の固有振動数の関係も実質的に変化しないことが判明した。これはばね部１１のｘ方向のばね定数が梁部１２のｚ方向のばね定数に比べて十分大きく、ｚ方向においてはばね部１１によって梁部１２の一端が実質的に固定されていることに起因すると考えられる。なお、以上のシミュレーションにおいて用いた各梁部１２は、厚さ２５μｍの単結晶珪素層と厚さ０．５μｍの酸化珪素層からなる。各部の外形寸法の設定は次の通りである。
【００４３】
支持部１０
外周ｘ方向長さ：２６８０μｍ
外周ｙ方向長さ：２３６０μｍ
内周ｘ方向長さ：２１８０μｍ
内周ｙ方向長さ：１８６０μｍ
ｚ方向長さ：４４５μｍ
錘部１５
ｘ方向長さ：１９８０μｍ
ｙ方向長さ：１６６０μｍ
ｚ方向長さ：４４５μｍ
梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ
ｘ方向長さ（長さ）：５００μｍ
ｙ方向長さ（幅）：３３０μｍ
ｚ方向長さ（厚さ）：２５μｍ
【００４４】
次にばね部１１の追加による感度変化について考察する。
まず、ばね部１１が無くハードスプリング効果を考慮しない場合においてｚ軸方向に振幅２．３μｍの参照振動が得られ、ｘ軸方向に振幅５．２μｍの参照振動が得られるように、時分割駆動によりｘ軸方向及びｚ軸方向に個別に励振するとする。この条件で励振する場合にハードスプリング効果を考慮すればｚ軸方向の参照振動の振幅は０．８μｍとなり、ｘ軸方向の参照振動の振幅は１．２μｍとなる。この条件は、図７および図８に示すように固有振動数の変化率が±０．１％以内に収まる許容範囲内において参照振動の振幅を最大化する条件である。この条件でハードスプリング効果を考慮しないシミュレーションの結果は、ｚ軸方向の参照振動とｘ軸周りの回転に対する感度が１．７９μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｘ軸方向の参照振動とｚ軸周りの回転に対する感度が２．０６μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなった。しかし、この条件でハードスプリング効果を考慮すると、シミュレーションの結果は、ｚ軸方向の参照振動とｘ軸周りの回転に対する感度は０．６２μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇに激減し、ｘ軸方向の参照振動とｚ軸周りの回転に対する感度は０．４８μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇに激減する。
【００４５】
次に、上記表１に示した寸法条件ｋ１のばね部１１がある場合においてｚ軸方向に振幅２．３２μｍの参照振動が得られ、ｘ軸方向に振幅０．９７４μｍの参照振動が得られるように、時分割駆動によりｘ軸方向及びｚ軸方向に個別に励振するとする。この条件で励振する場合にハードスプリング効果を考慮すればｚ軸方向の参照振動の振幅が２．０μｍとなり、ｘ軸方向の参照振動の振幅が０．６６μｍとなる。この条件は、図９および図１０に示すように固有振動数の変化率が±０．１％以内に収まる許容範囲内において参照振動の振幅を最大化する条件である。この条件でハードスプリング効果を考慮しないシミュレーションの結果は、ｚ軸方向の参照振動とｘ軸周りの回転に対する感度が１．７７μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｚ軸方向の参照振動とｙ軸周りの回転に対する感度が２．６９μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｘ軸方向の参照振動とｚ軸周りの回転に対する感度が２．１１μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなった。この条件でハードスプリング効果を考慮すると、シミュレーションの結果は、ｚ軸方向の参照振動とｘ軸周りの回転に対する感度が１．５２μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｚ軸方向の参照振動とｙ軸周りの回転に対する感度が２．３１μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなり、ｘ軸方向の参照振動とｚ軸周りの回転に対する感度が１．４３μＶ・ｓｅｃ／ｄｅｇとなった。すなわち、ばね部１１がある場合においては、ハードスプリング効果による感度低下はばね部１１がない場合に比べて顕著に小さい。
【００４６】
以上のシミュレーション結果から、支持部１０にばね部１１を形成することによってｘｙｚのそれぞれの軸周りの回転に対する感度を格段に向上できることがわかる。また検出用圧電素子１４から出力される信号レベルが高いため、検出回路の構成を簡素にすることができる。また、支持部１０にばね部１１を形成することによって感度を高められるため、メカニカルカップリングを抑制しつつ振動型角速度センサ１を高い自由度で小さく設計することができる。
【００４７】
３．製造方法
図１３から図１６は図１１に示した振動型角速度センサ１の製造方法を示す断面図である。なお、図１５Ａおよび図１６Ａは図１２に示すＢＢ線断面を示し、図１５Ｂおよび図１６Ｂは図１２に示すＣＣ線断面を示す。
【００４８】
はじめに図１３に示すように、厚さ６２５μｍの単結晶珪素層１００と厚さ１μｍの酸化珪素層１０２と厚さ１０μｍの単結晶珪素層１０４からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を熱酸化することによって厚さ０．５μｍの絶縁層１０６を形成する。続いて絶縁層１０６の上にスパッタ法によって厚さ０．１μｍの白金からなる電極層１０８、厚さ３μｍのＰＺＴからなる圧電層１１０、厚さ０．１μｍの白金からなる電極層１１２を順に積層する。
【００４９】
次に図１４に示すようにフォトレジストからなる２種類の図示しない保護膜部を用いたミリング法によって電極層１０８、１１２および圧電層１１０を所定形状にパターニングする。その結果、電極層１０８、１１２および圧電層１１０からなる駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４、並びにおよび電極層１０８、１１２からなる図示しない配線要素（導線およびボンディングパッド）が形成される。
【００５０】
次に図１５に示すようにフォトレジストからなる図示しない保護膜部を用いた反応性イオンエッチングによって絶縁層１０６および単結晶珪素層１０４を所定形状にパターニングする。その結果、絶縁層１０６および単結晶珪素層１０４からなる梁部１２のパターンが形成されるとともにばね部１１および錘部１５の上層部が形成される。また、支持部１０にばね部１１を形成するための穴１０ｈの上層部が形成される。
【００５１】
次に図１６に示すようにフォトレジストからなる図示しない保護膜部を用いたＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって単結晶珪素層１００を所定形状にパターニングする。その結果、ばね部１１および錘部１５の下層部が形成される。また、支持部１０にばね部１１を形成するための穴１０ｈの下層部が形成される。
【００５２】
次に酸化珪素層１０２の露出している部分をエッチングによって除去する。その結果、支持部１０の穴１０ｈが貫通し、梁部１２、ばね部１１および錘部１５がリリースされる。その後、ダイシング等の後工程を実施すると、図１１および図１２に示す振動型角速度センサ１が完成する。
【００５３】
支持部１０の穴１０ｈが支持部１０を貫通しているためにばね部１１が支持部１０の残部と同一の層構造を有する場合、ばね部１１が無い支持部１０を製造する場合と保護膜部のパターンが異なるだけでその他は全く同一である上記の製造方法によって、ばね部１１を形成することができる。すなわち、支持部１０を貫通する穴１０ｈによってばね部１１が形成される場合には、プロセスを追加すること無しにばね部１１を形成することができる。
【００５４】
４．変形例
図１７から図２８は、互いに平行な４つの梁部１２によって錘部１５を支持する振動型角速度センサ１の変形例を示している。図１７から図２８に示す振動型角速度センサ１ｂ〜１ｐは、ｚ方向から見た形状のみが図１１および図１２に示した振動型角速度センサ１と異なり、支持部１０、錘部１５、梁部１２、駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４の積層構造は振動型角速度センサ１と同一である。図１７から図１９、図２４、図２５においてハッチングによって示すように、ばね定数安定化手段としてのばね部１１、１６はＵ字形に曲がった板ばねの形態を有していても良い。図２０、図２３、図２５、図２６、図２７および図２８においてハッチングによって示すように、ばね定数安定化手段としてのばね部１１、１６は平板な板ばねの形態を有していても良いし、一端が支持部１０または錘部１５の残部に結合し他端は支持部１０または錘部１５の残部に対する自由端として構成された板ばねの形態を有していても良い。要するに、ばね定数安定化手段は、主撓み方向が梁部１２の延伸方向に一致するとともに主撓み方向において梁部と結合している板ばねの形態を有していればよい。支持部１０または錘部１５に切り欠き１０ｓ、１５ｓを形成すると、一端のみが支持部１０または錘部１５の残部に結合している板ばねの形態を有するばね部１１、１６を狭い領域に形成することができる。切り欠き１０ｓ、１５ｓは、振動型角速度センサを積層方向（ｚ方向）に貫通していても良いし、貫通していなくても良い。また図１８、図１９、図２１、図２２、図２４、図２５、図２７、図２８においてハッチングによって示すように、錘部１５にばね部１６をばね定数安定化手段として形成しても良い。また図１９、図２２、図２５、図２８においてハッチングによって示すように支持部１０および錘部１５の両方にばね定数安定化手段としてばね部１１、１６を形成しても良い。要するに、ばね定数安定化手段は支持部１０および錘部１５の少なくとも一方に形成され、梁部１２の延伸方向の両端の少なくとも一方に結合している板ばねの形態を有していればよい。
【００５５】
５．第二実施例
図２９は本発明にかかる振動型角速度センサの第二実施例を示している。振動型角速度センサ２においては、４つの梁部１２が枠形の支持部１０の内側に十字形に配置され、それぞれの梁部１２は支持部１０の内側の４辺と錘部１５の中央部に結合している。すなわち梁部１２ａと梁部１２ｃの対は錘部１５の中央部からｙ軸正方向とｙ軸負方向に支持部１０まで延伸し、梁部１２ｂと梁部１２ｄの対は梁部１２の中央部からｘ軸正方向とｘ軸負方向に支持部１０まで延伸している。
【００５６】
ばね定数安定化手段としてのばね部１１は支持部１０の各梁部１２との境界近傍に形成されている。具体的には次の通りである。支持部１０の矩形状に屈折する内周面を構成する４つの側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに近接する領域において支持部１０に４つの穴１０ｈが形成されている。穴１０ｈと側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとの間が平板状のばね部１１を構成している。ばね部１１の形態は穴１０ｈの長さと幅と深さと、側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄからの距離とによって決まる。ばね部１１の積層構造は支持部１０の残部の積層構造と同一である。したがって支持部１０の厚さであるｚ軸方向の長さはばね部１１を含む全体において一定である。したがってばね部１１のｚ方向のばね係数は実質的に無限大とみなせるほど大きい。ばね部１１自体の厚さは、穴１０ｈと側面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとの距離と等しくなる。ばね部１１の主撓み方向はばね部１１の厚さ方向であって、梁部１２の延伸方向（錘部１５に結合する端と支持部１０に結合する端とを結ぶ方向）と一致している。
【００５７】
それぞれの梁部１２の一端は各ばね部１１の長さ方向の中間部のｚ方向の一端に結合している。４つの梁部１２の他端は錘部１５の中央部のｚ方向の一端に結合している。具体的には梁部１２を構成する２つの層１０４、１０６とがばね部１１および錘部１５をも構成し、層１０４、１０６がばね部１１、錘部１５および梁部１２にわたって連続していることによって梁部１２がばね部１１と錘部１５とに結合している。梁部１２は、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い層を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分薄い。したがって４つの梁部１２は、それぞれ一端が支持部１０に固定された弾性梁として振る舞う。
【００５８】
錘部１５は４つの梁部１２と結合している中央部と、中央部から隣り合う梁部１２の間に突出する４つの周辺部とが結合した形態を有する。錘部１５は支持部１０を構成している複数の層のうち突出して厚い層１００を含むため、支持部１０に対して３次元運動する剛体として振る舞う。中央部は梁部１２を構成している層を含む支持部１０と同一の積層構造を有し、周辺部は梁部１２を構成している層を含まない。
【００５９】
振動型角速度センサ２においても、第一実施例と同様にばね部１１が梁部１２の張力に応じて梁部１２の延伸方向に撓むため、感度が向上する。
【００６０】
６．第三実施例
本発明は錘部を梁部によって支持する構成の振動型角速度センサのみならず、周囲が支持部に固定された膜部によって錘部を支持する構成の振動型角速度センサにも適用できる。図３２は本発明にかかる振動型角速度センサの第三実施例を示している。
【００６１】
本発明の第三実施例である振動型角速度センサ３は、上述した他の実施例にかかる振動型角速度センサと同一の積層構造を有する積層構造体であって、図示しないパッケージに収容される。振動型角速度センサ３には、第二実施例と同一構成の支持部１０、支持部１０と局所的に結合している筒部１７、筒部１７の内側に張り渡されている環状の膜部１８、膜部１８の内周と結合している錘部１５などが形成されている。
【００６２】
膜部１８は環状である。膜部１８の内周全体に錘部１５が結合している。膜部１８の外周全体に筒部１７が結合している。具体的には、膜部１８を構成している層１０４，１０６が錘部１５および支持部１０をも構成し、層１０４，１０６が錘部１５、膜部１８および支持部１０にわたって連続していることによって膜部１８は錘部１５および支持部１０と結合している。膜部１８は支持部１０を構成している最も厚い膜部１００を含まないため、外周に対して内周がｚ方向に変位可能な弾性膜として振る舞う。
【００６３】
筒部１７は、支持部１０と同一の積層構造を有し、膜部１８の幅方向に薄い枠の形態を有する。このため、筒部１７は膜部１８の張力に応じて内側に弾性変形する。膜部１８の外周に対して膜部１８の内周がｚ方向に変位するとき、膜部１８の張力は膜部の幅が狭くなる領域において大きくなる。すなわち、本実施例では膜部１８および筒部１７が矩形環状であるため、筒部１７を構成している４つの平板領域のそれぞれの中央部においては膜部１８の張力が筒部１７の４つの平板領域の境界に相当する角部に比べて大きくなる。なお、膜部１８を内周から外周に横断する方向の長さを膜部１８の幅というものとする。
【００６４】
筒部１７は４つの平板領域のそれぞれの中央部においてばね部１１と結合している。すなわち、相対的に膜部１８の大きな張力が作用する部分において筒部１７はばね部１１と結合している。
【００６５】
駆動用圧電素子１３は筒部１７に対して錘部１５の重心を振動させるための励振手段である。
検出用圧電素子１４は筒部１７に対する錘部１５の重心の運動を検出するための検出手段である。
【００６６】
膜部１８の内周の外周に対するｚ方向の変位の増大に伴って膜部１８の張力が増大する。膜部１８の張力に応じてばね部１１は主撓み方向（厚さ方向）に撓むため、筒部１７は内側に撓む。このため、膜部１８の内周の外周に対するｚ方向の変位の増大に伴う膜部１８の伸びが抑制される。その結果、膜部１８のハードスプリング効果が抑制される。
【００６７】
すなわち、本実施例においては、ばね部１１が膜部１８の張力に応じて膜部１８の幅方向に撓むため、振動型角速度センサ３の感度が向上する。
【００６８】
７．変形例
図３１は本発明にかかる振動型角速度センサの第三実施例の変形例を示している。図３１に示すように、膜部１８を円環状に形成するとともに筒部１７を円筒状に形成してもよい。また、ばね部１１を円弧状に曲がった板ばねとして形成しても良い。
【００６９】
８．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、膜部によって錘部を支持する振動型角速度センサにおいても、ばね部の一端が支持部の残部に固定され、ばね部の他端は支持部に対する自由端として構成されていても良い。また、ばね定数安定化手段は板ばねの形態に限らず、例えば梁部との境界近傍において支持部または錘部を積層方向に貫通する穴によって梁部の延伸方向において剛性が低下した領域をばね定数安定化手段として構成しても良いし、支持部または錘部を積層方向に貫通する複数の穴によって形成されるハニカム構造をばね定数安定化手段として構成しても良い。また錘部を励振する励振手段は、静電引力や電磁力を用いて実現しても良い。また錘部の運動を検出する検出手段は、静電容量やピエゾ抵抗効果を用いて実現しても良い。また上記実施形態で示した材質や寸法や製造方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である変形例については説明が省略されている。
【符号の説明】
【００７０】
１：振動型角速度センサ、２：振動型角速度センサ、３：振動型角速度センサ、１０：支持部、１０ｈ：穴、１１ａ：ばね部、１１ｂ：ばね部、１１ｃ：ばね部、１１ｄ：ばね部、１２ａ：梁部、１２ｂ：梁部、１２ｃ：梁部、１２ｄ：梁部、１３ａ：駆動用圧電素子、１３ｂ：駆動用圧電素子、１３ｃ：駆動用圧電素子、１３ｄ：駆動用圧電素子、１４ａ：検出用圧電素子、１４ｂ：検出用圧電素子、１４ｃ：検出用圧電素子、１４ｄ：検出用圧電素子、１５：錘部、１６ｂ：ばね部、１６ｃ：ばね部、１６ｄ：ばね部、１６ｅ：ばね部、１７：筒部、１８：膜部、１００：単結晶珪素層、１０２：酸化珪素層、１０４：単結晶珪素層、１０６：絶縁層、１０８：電極層、１１０：圧電層、１１２：電極層、Ｒ：梁、Ｓ１：支持体、Ｓ２：支持体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、
錘部と、
前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、
前記錘部を励振する励振手段と、
前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、
前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、
を備える振動型角速度センサ。
【請求項２】
前記ばね定数安定化手段は、主撓み方向が前記梁部の延伸方向に一致するとともに当該主撓み方向において前記梁部と結合している板ばねの形態を有する、
請求項１に記載の振動型角速度センサ。
【請求項３】
前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、
前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する穴によって前記ばね定数安定化手段が形成されている、
請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項４】
前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、
前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する切り欠きによって前記ばね定数安定化手段が形成されている、
請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項５】
前記梁部の延伸方向における前記ばね定数安定化手段のばね定数は前記梁部の延伸方向における前記梁部のばね定数より小さい、
請求項１から４のいずれか一項に記載の振動型角速度センサ。
【請求項６】
環状の膜部と、
前記膜部の外周と結合している筒部と、
前記膜部の内周と結合している錘部と、
前記錘部を励振する励振手段と、
前記筒部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、
前記筒部を囲む支持部と、
前記支持部に形成され、主撓み方向が前記膜部の幅方向に一致するとともに前記主撓み方向において前記筒部と結合している板ばねの形態を有するばね定数安定化手段と、
を備える振動型角速度センサ。
【請求項１】
支持部と、
錘部と、
前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、
前記錘部を励振する励振手段と、
前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、
前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、
を備える振動型角速度センサ。
【請求項２】
前記ばね定数安定化手段は、主撓み方向が前記梁部の延伸方向に一致するとともに当該主撓み方向において前記梁部と結合している板ばねの形態を有する、
請求項１に記載の振動型角速度センサ。
【請求項３】
前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、
前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する穴によって前記ばね定数安定化手段が形成されている、
請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項４】
前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、
前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する切り欠きによって前記ばね定数安定化手段が形成されている、
請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項５】
前記梁部の延伸方向における前記ばね定数安定化手段のばね定数は前記梁部の延伸方向における前記梁部のばね定数より小さい、
請求項１から４のいずれか一項に記載の振動型角速度センサ。
【請求項６】
環状の膜部と、
前記膜部の外周と結合している筒部と、
前記膜部の内周と結合している錘部と、
前記錘部を励振する励振手段と、
前記筒部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、
前記筒部を囲む支持部と、
前記支持部に形成され、主撓み方向が前記膜部の幅方向に一致するとともに前記主撓み方向において前記筒部と結合している板ばねの形態を有するばね定数安定化手段と、
を備える振動型角速度センサ。
【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】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【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】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１２−３７２８２（Ｐ２０１２−３７２８２Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７５５７８（Ｐ２０１０−１７５５７８）
【出願日】平成２２年８月４日（２０１０．８．４）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月４日（２０１０．８．４）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
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