JP5560806B2 - ジャイロ素子、ジャイロセンサー、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動型ジャイロ素子、振動型ジャイロセンサー、振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法および電子機器等に関する。

所定速度で動いている物体に角速度が加わると、動きの方向（速度方向）の軸および角速度ベクトルの方向(角速度方向)の軸で定まる平面に直交する方向にコリオリ力が生じる。振動型ジャイロセンサーでは、このコリオリ力に対応して変化する電気信号に基づいて角速度を求める。すなわち、振動腕を励振して駆動振動を生じさせる。角速度が加わると、角速度に対応したコリオリ力によって、振動腕には、駆動振動の方向に直交する方向に検出振動が生じる。圧電材料を使用した振動型ジャイロセンサーでは、検出振動によって振動腕に生じる歪み（応力）によって電界が発生し、電荷が移動する。この電荷の移動によって生じる電気信号（つまり微小な電流信号）の変動量は、加わった角速度の大きさに比例する。よって、電気信号の変動量（例えば直流電圧の振幅の変動）を検出することによって、加わった角速度を検出することができる。

振動型ジャイロセンサーを構成する振動ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用の振動片）として、いわゆるダブルＴ型振動ジャイロ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。ダブルＴ型振動ジャイロ素子では、略Ｔ字型の駆動振動系が、中央の検出振動系に関して左右対称に配置されている。ダブルＴ型振動ジャイロ素子では、Ｚ軸回りに作用した角速度によって駆動腕に発生したコリオリ力は、支持腕および基部を介して検出腕に伝播される。

また、特許文献２では、ダブルＴ型振動ジャイロ素子におけるエネルギー損失を低減する構造が提案されている。特許文献２に開示される振動型ジャイロ素子は、三方晶の結晶構造をもつ圧電材料により構成される。この振動型ジャイロ素子は、Ｙ軸方向の検出腕と、検出腕から、Ｙ軸に対して＋１２０°の角度および−１２０°の角度をなす方向に延出される一対の駆動腕と、を有する。駆動腕はＸＹ平面内で振動し、Ｚ軸回りに角速度が作用すると、駆動腕の延在方向にコリオリ力が生じる。そのコリオリ力のＸ軸方向成分によって、検出腕に、Ｘ軸方向の検出振動が生じる。

特許文献１、特許文献２に記載される振動型ジャイロ素子は、Ｚ軸回りに作用した角速度を検出するものであり、Ｘ軸やＹ軸に作用した角速度をこのまま検出することはできない。よって、このジャイロ素子を用いてＸ軸やＹ軸に作用した角速度を検出するためには、素子を垂直に立てて配置する必要がある。このため、センサーの厚さ方向の寸法が大きく（低背化が困難）、実装費用も増加する。

Ｘ軸やＹ軸に作用した角速度を検出するジャイロ素子は、例えば、特許文献３に記載されている。

特許文献３に記載される振動型ジャイロ素子では、基部から、共通の（一体化された）振動腕が所定方向に延出している。振動腕の先端部は二叉に分岐されている。二叉に分岐されて形成される第１腕と第２腕の各先端部には駆動電極が形成されている。また、振動腕の基部に近い側には検出電極が形成されている。共通の振動腕の、二叉に分岐された先端部分は、駆動電極に印加される電圧によって励振され、これによって、振動腕を構成する水晶や石英の結晶面内（ＸＹ平面）において、駆動振動が生じる。駆動腕の延出方向の軸回り（Ｙ軸回り）に角速度が加わると、コリオリ力は結晶面に垂直に作用して、結晶面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に検出振動が生じる。

また、近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて、小型かつ高精度の振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用の振動片）を実現する技術が注目されている。

特開２００４−２４５６０５号公報 特開２００６−２５０７６９号公報 特開平５−２５６７２３号公報（特許第３００７２１６号公報）

特許文献１に記載される振動型ジャイロ素子では、駆動腕に発生したコリオリ力（つまり検出振動）は、支持腕および基部を経由して検出腕に伝えられる。検出振動は、支持腕と基部を伝播する際に減衰するため、検出振動の伝播過程において、エネルギー損失が生じるのは否めない。

また、特許文献２に記載される振動型ジャイロ素子では、一つの駆動腕の各々は、＋Ｙ軸に対して＋１２０°の角度（−Ｙ軸に対して−６０°の角度）および−１２０°の角度（−Ｙ軸に対して＋６０°の角度）をなす方向に延在している。コリオリ力は駆動振動の方向（速度方向）と角速度ベクトル（角速度方向）の軸で定まる平面に直交する方向に生じるため、検出振動を励起するためのＸ軸方向へ生じる力はsin６０°を乗じた大きさとなり小さくなる。

また、特許文献３に記載される振動型ジャイロ素子における課題について以下に示す。
図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）は、従来例の振動型ジャイロ素子について説明するための図である。図１９（Ａ）は特許文献３に記載される振動型ジャイロ素子の構造を示す斜視図であり、図１９（Ｂ）および図１９（Ｃ）は、図１９（Ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う、駆動腕の断面図の例を示す。

図１９（Ａ）の振動型ジャイロ素子９０１は、２本の駆動腕９０１，９０３を有する。この振動型ジャイロ素子９０１の駆動腕９０１，９０３の各々は、理想的にはＸ軸方向に駆動振動が生じ、Ｙ軸回りの角速度によってＺ軸方向のコリオリ力が生じ、Ｚ軸方向に検出振動が生じる。しかしながら、実際は図１９（Ｂ），図１９（Ｃ）に示すような加工誤差の存在により、Ｘ軸方向の駆動振動にＺ軸方向の振動が混在する。図１９（Ｂ）の例では、駆動腕にヒレ部が生じることによって現実の駆動振動の方向が、理想的な駆動振動の方向からずれる。また、図１９（Ｃ）の例では、アライメントずれに起因して駆動腕に不整合が生じることによって、現実の駆動振動の方向が、理想的な駆動振動の方向からずれる。

混在したＺ軸方向の振動は検出電極により検出振動として検知され、角速度が加わっていないにも関わらず角速度出力が生じる。つまり、図１９（Ｂ），図１９（Ｃ）において、太い点線の矢印で示される機会漏れ成分は、実際の角速度が零であっても生じる。よって、実際には角速度が加わっていないにも関わらず、その機会漏れ成分に対応する電気信号が出力されてしまう。これが機械結合による不都合であり、その誤差成分は、コリオリ力による出力に対して極めて大きく、駆動振動のアンバランスは、振動型ジャイロ素子の検出精度に影響を与える。さらに、この機械結合は周囲の温度により変動するためジャイロセンサーの温度安定性に大きく影響を与える。

本発明の少なくとも一つの態様によれば、振動型ジャイロセンサーの検出効率を、より高めることができる。

（１）本発明のジャイロ素子の一態様では、基部と、前記基部から、所定面内で第１方向に延出する検出腕と、前記検出腕の前記基部側の端部と反対側の端部に設けた連結部と、前記連結部から、前記所定面内で前記第１方向と交差する方向である正の第２方向に延出する第１駆動腕と、前記検出腕の前記連結部から、正の第２方向とは逆向きの負の第２方向に延出する第２駆動腕と、前記第１駆動腕に設けられる第１駆動電極と、前記第２駆動腕に設けられる第２駆動電極と、前記検出腕に設けられる検出電極と、を含む。また、前記第１駆動腕は、前記第１駆動電極によって形成される電界による歪みによって、前記所定面に直交する第３方向に振動し、前記第２駆動腕は、前記第２駆動電極によって形成される電界による歪みによって、前記第３方向に振動し、かつ、前記第１駆動腕が正の第３方向に変位するときは、前記第２駆動腕も正の第３方向に変位すると共に、前記第１駆動腕が負の第３方向に変位するときは、前記第２駆動腕も負の第３方向に変位し、前記第１方向の軸回りに作用する角速度によって前記第１駆動腕および前記第２駆動腕の各々に第２方向のコリオリ力が作用し、これによって前記検出腕に第２方向の検出振動が生じ、前記検出振動によって発生する電界によって電荷が移動し、前記電荷の移動による電気信号が前記検出電極から取り出される。

本態様では、所定面内で第１方向に延出する検出腕の連結部に、第１駆動腕と第２駆動腕とが連結される。第１駆動腕は、所定面（例えば、圧電板の所定結晶面を含む面）内で正の第２方向に延在する。第２駆動腕は、所定面内で負の第２方向（正の第２方向とは逆向き）に延在する。第１方向と第２方向とは互いに交差する方向であり、例えば直交する方向である（但し、これに限定されるものではない）。

第１駆動腕および第２駆動腕の各々は、所定面に直交する第３方向に振動する（つまり、面外方向の駆動振動が励振される）。加工誤差が存在した場合には、機械結合により第３方向の振動に第１方向の振動が混在するが、検出振動は第２方向であるため第１方向の振動は検出振動にはなんら影響を与えない。よって、本態様によれば、加工誤差が存在した場合においても機械結合による余計な信号が生じず、効率的にコリオリ力を検出することができる。また、温度による機械結合の変動の影響も受けないことから温度安定性のよいジャイロセンサーが実現できる。

（２）本発明のジャイロ素子の他の態様では、前記第２方向は、前記第１方向に直交する方向であり、前記検出腕、前記第１駆動腕、および前記第２駆動腕の少なくとも一部は、同じ圧電材料で構成される。

本態様では、検出腕の延出方向である第１方向と、第１駆動腕および第２駆動腕の各々の延出方向である第２方向は直交する。また、本態様では、駆動腕の少なくとも一部および検出腕の少なくとも一部は同じ圧電材料で構成される。例えば、駆動腕および検出腕を同じ圧電材料（例えば水晶板やＧａＰＯ４）で構成し、その水晶板のもつ圧電特性によって駆動腕や検出腕を振動させることができる。また、例えば、駆動腕（あるいは検出腕）の一部を構成する弾性をもつ基材上に圧電膜（駆動腕（あるいは検出腕）の一部を構成する要素である）を形成してもよい。つまり、圧電膜のもつ圧電特性によって、電界を歪みに変換して駆動腕を振動させたり、あるいは、検出腕に生じた第２検出振動を電界に変換したりすることができる。

例えば、水晶板をフォトリソグラフィーによって加工する場合、Ｙ軸方向に延出された腕に対し、Ｘ軸方向に延出された腕は断面の加工精度が高い（水晶の異方性による加工誤差が少ない）。よって、本態様によれば、駆動腕（第１駆動腕および第２駆動腕）の加工誤差を低減することができる。このため、より機械結合の影響が小さいバランスに優れた駆動振動を発生させることができる。

（３）本発明のジャイロ素子の他の態様では、前記検出腕は、互いに表裏関係にある第１面および第２面と、前記第１面と前記第２面とを連結する第３面および第４面と、を備え、前記検出電極は、前記第１面に設けられる第１電極と、前記第２面に設けられ、前記第１電極に接続されている第２電極と、前記第３面に設けられ、前記第１電極および前記第２電極から電気的に独立している第３電極と、前記第４面に設けられ、前記第３電極に接続されている第４電極と、を備えることを特徴とする。また、前記第１駆動腕および前記第２駆動腕の各々は、互いに表裏関係にある一対の主面を備え、前記第１駆動電極は、前記第１駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられた第１櫛歯電極であり、前記第２駆動電極は、前記第２駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第２櫛歯電極である、ことを特徴とする。

本態様では、第１駆動腕に設けられる第１駆動電極および第２駆動腕に設けられる第２駆動電極の各々は、櫛歯電極（ＩＤＴ(interdigital transducer)電極）である。この櫛歯電極（ＩＤＴ電極）によって、駆動腕を所定面外に振動させるための電界（駆動腕の延出方向である第２方向の電界）を生じさせることができる。

また、検出腕の第１面〜第４面の各々に設けられる第１電極〜第４電極の各々によって、第２検出振動に伴って生じる微小な電気信号を取り出すことができる。第１電極と第２電極とが接続され、第３電極と第４電極とが接続されている。この検出電極の配置によれば、第１駆動腕から検出腕に漏れ込む不要な駆動振動と、第２駆動腕から検出腕に漏れ込む不要な駆動振動とを相殺する効果を得ることができる。つまり、各駆動腕から漏れ込む不要な駆動振動によって、例えば第１電極から第２電極に向かう電界が生じようとしても、第１電極と第２電極は共通接続されて同電位であることから、そのような電界は現実には生じず、よって、この電極配置によれば、不要な駆動振動によるノイズ信号は検出されない。よって、機械結合による余計な信号が生じず、効率的にコリオリ力を検出することができる。

（４）本発明のジャイロ素子の他の態様では、前記第１櫛歯電極および前記第２櫛歯電極の各々は、所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第１対向部分と、前記第１対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第２対向部分と、を備え、前記第１対向部分と第２対向部分は、前記駆動腕の延出方向である前記第２方向に沿って配置されており、かつ、前記所定距離をＬ１とし、前記第１対向部分と前記第２対向部分との間の距離をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立する。

櫛歯電極は、互いに所定距離だけ離間して対向して配置される一対の電極からなる第１対向部分と、この第１対向部分に隣接し、かつ、互いに所定距離だけ離間して対向して配置される一対の電極からなる第２対向部分と、を有する。第１対向部分および第２対向部分の各々において、対向する一対の電極間に電界（有効電界）が生じ、この電界（有効電界）が駆動腕に加えられる。一方、第１対向部分の第２対向部分側の電極と、第２対向部分の第１対向部分側の電極との間にも電界（無効電界）が生じる。第１対向部分および第２対向部分の各々において生じる有効電界の方向と、第１対向部分と第２対向部分との間に生じる無効電界の方向が逆である場合、有効電界の一部が無効電界によって打ち消されるという不都合が生じる。

このため、本態様では、第１対向部分および第２対向部分の各々における電極間の距離（Ｌ１）よりも、第１対向部分と第２対向部分との間の距離（Ｌ２：具体的には、第１対向部分の第２対向部分側の電極と第２対向部分の第１対向部分側の電極との間の距離）を大きく設定する。これによって、第１対向部分と第２対向部分との間に生じる無効電界による悪影響（つまり、有効電界の一部が無効電界によって打ち消されること）を軽減することができる。

（５）本発明のジャイロ素子の他の態様では、前記第１櫛歯電極および前記第２櫛歯電極の各々は、前記第２対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第３対向部分を備え、前記第１対向部分、前記第２対向部分、前記第３対向部分の順に、前記基部からの距離が大きくなるものとし、かつ、前記第２対向部分と前記第３対向部分との間の距離をＬ３としたとき、Ｌ２＜Ｌ３が成立する。

駆動腕に駆動振動（面外振動）を生じさせるためには、駆動腕の主面（例えば表面および裏面の少なくとも一方）において、圧縮や伸張（引っ張り）の歪み（応力）を生じさせる必要がある。駆動腕は、固定端である基部を基準として面外方向に振動することから、駆動腕の屈曲に最も有効な歪みは、基部に近い箇所における歪みである。基部から遠い箇所（先端付近）の歪みは駆動腕の屈曲に与える影響が小さい。

この考察に基づいて、本態様では、櫛歯電極に含まれる３つの対向部分の各々間の間隔を、基部からの距離に応じて変化させる。つまり、第１対向部分と第２対向部分との間の間隔（Ｌ２）よりも、第２対向部分と第３対向部分との間隔（Ｌ３）を大きく設定する。
このようにすれば、駆動腕の延出方向に沿って配置される対向部分の数を、各対向部分を等間隔で配置する場合に比べて減少させることができる。このことは、駆動腕に発生する電界の総量が減ることを意味し、よって、消費電力の削減の効果が得られる。一方、基部から遠い箇所における電界が減少したとしても、その電界が駆動腕の屈曲に寄与する程度は小さいことから、駆動腕には、必要な振幅の駆動振動を生じさせることができる。

（６）本発明のジャイロ素子の他の態様は、基部と、前記基部から、所定面内で正の第１方向に延出する第１検出腕と、前記基部から、前記所定面内で、正の第１方向とは逆向きの負の第１方向に延出する第２検出腕と、前記第１検出腕の前記基部側の端部と反対側の端部に設けられた連結部から、前記所定面内で前記第１方向に交差する正の第２方向に延出する第１駆動腕と、前記第１検出腕の前記連結部から前記正の第２方向とは逆向きの負の第２方向に延出する第２駆動腕と、前記基部から、前記正の第２方向に延出する第３駆動腕と、前記基部から、前記負の第２方向に延出する第４駆動腕と、前記第２検出腕の前記基部側の端部と反対側の端部に設けられた連結部から前記正の第２方向に延出する第５駆動腕と、前記第２検出腕の前記連結部から前記負の第２方向に延出する第６駆動腕と、前記第１駆動腕に設けられる第１駆動電極と、前記第２駆動腕に設けられる第２駆動電極と、前記第３駆動腕に設けられる第３駆動電極と、前記第４駆動腕に設けられる第４駆動電極と、前記第５駆動腕に設けられる第５駆動電極と、前記第６駆動腕に設けられる第６駆動電極と、前記第１検出腕に設けられる第１検出電極と、前記第２検出腕に設けられる第２検出電極と、を含むことを特徴とする。
また、前記第１駆動腕は、前記第１駆動電極によって形成される電界による歪みによって、前記所定面に直交する第３方向に振動し、前記第２駆動腕は、前記第２駆動電極によって形成される電界による歪みによって第３方向に振動し、前記第３駆動腕は、前記第３駆動電極によって形成される電界による歪みによって第３方向に振動し、前記第４駆動腕は、前記第４駆動電極によって形成される電界による歪みによって第３方向に振動し、前記第５駆動腕は、前記第５駆動電極によって形成される電界による歪みによって第３方向に振動し、前記第６駆動腕は、前記第６駆動電極によって形成される電界による歪みによって第３方向に振動し、かつ、前記第１駆動腕および前記第２駆動腕が共に正の第３方向に変位するときには、前記第３駆動腕および前記第４駆動腕は共に前記正の第３方向とは逆向きの負の第３方向に変位し、前記第５駆動腕および前記第６駆動腕は共に正の第３方向に変位し、また、前記第１駆動腕および前記第２駆動腕が共に負の第３方向に変位するときには、前記第３駆動腕および前記第４駆動腕は共に正の第３方向に変位し、前記第５駆動腕および前記第６駆動腕は共に負の第３方向に変位する。

本態様では、第１検出腕に加えて第２検出腕が設けられる。第１検出腕には第１検出電極が設けられ、第２検出腕には第２検出電極が設けられる。第１検出腕は基部から正の第１方向に延出し、第２検出腕は負の第１方向に延出する。検出腕の数が増えることによって検出感度が向上する。

また、本態様では、第１駆動腕と第２駆動腕に加えて、第３駆動腕と第４駆動腕、ならびに第５駆動腕と第６駆動腕が設けられる。第１駆動腕と第２駆動腕の各々は、第１検出腕の連結部から互いに逆向き（つまり、正の第２方向と負の第２方向）に延出する。第３駆動腕と第４駆動腕の各々は、基部から互いに逆向き（つまり、正の第２方向と負の第２方向）に延出する。第５駆動腕と第６駆動腕の各々は、第２検出腕の連結部から互いに逆向き（つまり、正の第２方向と負の第２方向）に延出する。第１駆動腕〜第６駆動腕の各々には、第１駆動電極〜第６駆動電極の各々が設けられる。

また、第１駆動腕と第２駆動腕が駆動振動によって正の第３方向に変位するときは、第３駆動腕と第４駆動腕は駆動振動によって負の第３方向に変位し、かつ、第５駆動腕と第６駆動腕は駆動振動によって正の第３方向に変位する。つまり、第１駆動腕と第２駆動腕ならびに第５駆動腕と第６駆動腕の各々には、第３方向に、かつ、各腕の変位が同じ向きとなるように、ウォークモードの駆動振動が励振される。一方、第２駆動腕と第３駆動腕の各々には、第３方向であって、かつ、変位の向きが、第１駆動腕と第２駆動腕ならびに第５駆動腕と第６駆動腕の各々の変位の方向とは逆になるように、ウォークモードの駆動振動が励振される。

換言すれば、３対の駆動腕のうち、両側の２対の駆動腕が同相駆動され、中央の１対の駆動腕は逆相で駆動されるのであり、これによって、力学的にバランスのとれた駆動振動を実現される。面外振動のバランスがよいことから、共振のＱ値が高くなり、駆動振動の振幅が増大し、振動周波数も安定する。コリオリ力の大きさは駆動振動の速度に比例し、駆動振動の速度は振幅と振動周波数によって決まる。よって、駆動振動の速度が大きくなり安定することから、より高感度で、かつ、感度安定性が高い振動型ジャイロ素子が実現される。

（７）本発明の振動型ジャイロ素子の他の態様は、前記第１駆動腕〜前記第６駆動腕の各々は、互いに対向する一対の主面を有し、前記第１検出腕および前記第２検出腕の各々は、第１主面としての第１面と、前記第１面に対向する、第２主面としての第２面と、前記第１面と前記第２面とを連結する第３面と、前記第３面に対向する第４面と、を有し、前記第１駆動電極は、前記第１駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第１櫛歯電極であり、前記第２駆動電極は、前記第２駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第２櫛歯電極であり、前記第３駆動電極は、前記第３駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第３櫛歯電極であり、前記第４駆動電極は、前記第４駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第４櫛歯電極であり、前記第５駆動電極は、前記第５駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第５櫛歯電極であり、前記第６駆動電極は、前記第４駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第６櫛歯電極であり、前記第１検出電極は、前記第１検出腕の前記第１面に設けられる、第１検出腕用の第１電極と、前記第１検出腕の前記第２面に設けられる、第１検出腕用の第２電極と、前記第１検出腕の前記第３面に設けられる、第１検出腕用の第３電極と、前記第１検出腕の前記第４面に設けられる、第１検出腕用の第４電極と、を有し、前記第２検出電極は、前記第２検出腕の前記第１面に設けられる、第２検出腕用の第１電極と、前記第２検出腕の前記第２面に設けられる、第２検出腕用の第２電極と、前記第２検出腕の前記第３面に設けられる、第２検出腕用の第３電極と、前記第２検出腕の前記第４面に設けられる、第２検出腕用の第４電極と、を有し、かつ、前記第１検出腕用の第１電極と、前記第１検出腕用の第２電極と、前記第２検出腕用の第１電極と、前記第２検出腕用の第２電極とは共通に接続され、前記第１検出腕用の第３電極と、前記第１検出腕用の第４電極と、前記第２検出腕用の第３電極と、前記第２検出腕用の第４電極とは共通に接続される。

本態様では、上記（６）の態様における電極構造と、電極の接続形態について規定する。すなわち、第１駆動腕には第１駆動電極が形成されるが、この第１駆動電極は、第１駆動腕の一対の主面（第１面および第２面）の少なくとも一方に設けられる第１櫛歯電極である。同様に、第２駆動腕に設けられる第２駆動電極は、第２駆動腕の一対の主面（第１面および第２面）の少なくとも一方に設けられる第２櫛歯電極であり、第３駆動腕に設けられる第３駆動電極は、第３駆動腕の一対の主面（第１面および第２面）の少なくとも一方に設けられる第３櫛歯電極であり、第４駆動腕に設けられる第４駆動電極は、第４駆動腕の一対の主面（第１面および第２面）の少なくとも一方に設けられる第４櫛歯電極であり、第５駆動腕に設けられる第５動電極は、第５駆動腕の一対の主面（第１面および第２面）の少なくとも一方に設けられる第５櫛歯電極であり、第６駆動腕に設けられる第６駆動電極は、第６駆動腕の一対の主面（第１面および第２面）の少なくとも一方に設けられる第６櫛歯電極である。櫛歯電極による第２方向の電界によって、各駆動腕に第３方向（面外方向）の駆動振動が励振される。

また、第１検出腕の第１面〜第４面の各々には、第１検出腕用の第１電極〜第４電極が設けられる。同様に、第２検出腕の第１面〜第４面の各々には、第２検出腕用の第１電極〜第４電極が設けられる。検出振動による歪みに対応して、第１検出腕および第２検出腕の各々に生じる電界の向きは同じである。この点を考慮して、第１検出腕における電極と第２検出腕における電極との接続が決定される。つまり、第１検出腕用の第１電極および第１検出腕用の第２電極は、第２検出腕用の第１電極および第２検出腕用の第２電極に共通に接続される。また、第１検出腕用の第３電極および第１検出腕用の第４電極は、第２検出腕用の第３電極および第２検出腕用の第４電極に共通に接続される。上記２つの共通接続点から、第２検出振動に伴って生じる微小な電気信号を取り出すことができる。

（８）本発明のジャイロセンサーの一態様は、上記いずれかのジャイロ素子と、前記ジャイロ素子に接続された検出回路を含む。

これによって、高精度の検出が可能な振動型ジャイロセンサー（振動型ジャイロスコープ）を実現することができる。

（９）本発明の電子機器の一態様は、上記いずれかのジャイロ素子を含む。

これによって、例えば、高精度な角速度の検出が可能な振動型ジャイロ素子と、角速度以外の物理量を検出する他の検出素子とを組み合わせた、高機能なセンサーユニット（電子機器の一種）を実現することができる。また、このセンサーユニットを、カメラやＦＡ機器等の電子機器に搭載すれば、その電子機器の高機能化が実現する。

（１０）本発明の振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法の一態様は、水晶を加工して形成される振動型ジャイロ素子であって、基部と、前記基部から、前記水晶の所定結晶面を含む所定面内で第１方向に延出する検出腕と、前記検出腕の連結部から、前記所定面内で前記第１方向と直交する方向である正の第２方向に延出する第１駆動腕と、前記検出腕の前記連結部から、正の第２方向とは逆向きの負の第２方向に延出する第２駆動腕と、を有する振動型ジャイロ素子と、前記第１方向の軸回りに作用する角速度を検出する検出回路と、を有する振動型ジャイロセンサーによる角速度の検出方法であって、前記水晶の、第２方向の電界に対応する第２方向の歪みを用いて、前記第１駆動腕および前記第２駆動腕の各々を、前記所定面に直交する第３方向に、かつ変位方向が互いに同じになるようにして振動させ、前記第１方向の軸回りに作用する角速度に対応して生じる第２方向のコリオリ力によって、前記検出腕に第２方向の検出振動を生じさせ、前記検出振動によって発生する電界によって電荷が移動することによって生じる電気信号に基づいて、前記検出回路が前記角速度を検出する。

本態様の角速度（物理量）検出方法では、水晶結晶板（例えばＺ板（略Ｚ板））によって構成される振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用の振動片）を使用する。検出腕は基部から第１方向（例えばＹ軸方向）に延出する。第１駆動腕および第２駆動腕の各々は、検出腕の連結腕から第２方向（例えばＸ軸方向）に、かつ互いに逆向きに（例えば＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向）に延出する。第１方向の軸と第２方向の軸とで規定される平面は、例えば水晶板のＺ面を含む平面である。また、本態様では、第１方向と第２方向とは直交する。

水晶板の第２方向の電界（例えばＸ軸方向の電界Ｅｘ）に対応する第２方向の歪み（Ｓｘ）を用いて各駆動腕に、第３方向（第１方向の軸および第２方向の軸で規定される平面に直交する方向）の駆動振動（面外振動）が励振される。

また、第１方向（例えばＹ軸方向）の軸回りに作用する角速度によって、駆動腕に第２方向（例えばＸ軸方向）のコリオリ力が生じ、コリオリ力によって各駆動腕が変位する。各駆動腕は、検出腕の同じ連結部に連結されていることから、各駆動腕の変位は、そのまま検出腕の変位となる。したがって、検出腕に、効率的に検出振動を生じさせることができる。

検出腕が検出振動によって屈曲すると、検出腕を構成する水晶板の、第２方向（Ｘ軸方向）の電界（Ｅｘ）に対応した第１方向の歪み（Ｓｙ）によって、第２方向の電界（Ｅｘ）が生じる。この第２方向の電界（Ｅｘ）によって電荷が移動することによって生じる電気信号に基づいて、検出回路が角速度を検出する。

本態様では、基部、駆動腕および検出腕自体が水晶板で構成されることから、圧電膜を基材上に形成する構造に比べて、振動ロスが少なく、また耐久性も高い。また、駆動振動として面外振動（ウォークモードの振動）を利用することから、従来の面内の駆動振動を利用する場合に比べてバランスのよい駆動振動を励振することができる。また、第１駆動腕から検出腕に漏れ込む不要な駆動振動と、第２駆動腕から検出腕に漏れ込む不要な駆動振動とを効率的に相殺する効果を得ることができる。また、駆動腕が検出腕に直接に連結されていることから、コリオリ力を検出腕に効率的に伝えることができる。よって、物理量の検出効率を格段に高めることができる。また、駆動腕と検出腕が分離されていることから、各腕における電極配置や配線も無理なく行える。また、駆動腕と検出腕が分離されていることから、静電結合や電気機械結合の影響も低減することができる。

このように、本発明の少なくとも一つの態様によれば、振動型ジャイロセンサーの検出効率を、より高めることができる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、第１実施形態にかかる振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）における、角速度の検出原理を説明するための図 図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、振動型ジャイロ素子の物理量の検出原理を説明するための図 図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、振動型ジャイロ素子の物理量の検出原理を説明するための図 図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、電極の配置例を示す図 振動型ジャイロセンサーの構成の一例を示す図 駆動振動の励振の一例について説明するための図 図７（Ａ）〜図７（Ｇ）は、機械結合による影響を抑制できる理由について説明するための図 第２実施形態にかかる振動型ジャイロ素子の構成を示す図 図９（Ａ）〜図９（Ｆ）は、図８に示される振動型ジャイロ素子の振動姿態の例を示す図 図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、第２実施形態にかかる振動型ジャイロセンサーにおける物理量の検出動作を説明するための図 図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、第２実施形態にかかる振動型ジャイロセンサーにおける物理量の検出動作を説明するための図 振動型ジャイロ素子における駆動腕の他の例を示す図 振動型ジャイロ素子における駆動腕における櫛歯電極の他の構成例を示す図 図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）は、振動型ジャイロ素子の他の例（基材上に圧電材料膜を形成する例）について説明するための図 図１５（Ａ）〜図１５（Ｆ）は、圧電材料膜（圧電セラミック）の特性を説明するための図 振動型ジャイロセンサーを含む電子機器の構成の一例を示す図 駆動振動の励振の他の例について説明するための図 振動型ジャイロセンサーおける、静電結合、電気機械的結合ならびに機械結合について説明するための図 図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）は、従来の振動型ジャイロセンサーにおける機械結合について説明するための図

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（第１実施形態）
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、第１実施形態にかかる振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）における、角速度の検出原理を説明するための図である。

図１（Ａ）に示されるように、振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）１００は、基部１０と、基部から、所定面内（ＸＹ面内）で第１方向（Ｙ軸方向）に延出する検出腕３０と、検出腕３０の連結部２５（図中、点線で囲んで示される）から所定面内（ＸＹ面内）において、第１方向（Ｙ軸方向）と交差する方向である第２方向（Ｘ軸方向）に延出する一対の駆動腕（第１駆動腕２０と第２駆動腕２０’）と、を有する。第１駆動腕２０は正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に延在し、第２駆動腕２０’は負の第２方向（−Ｘ軸方向）に延在する。Ｘ軸とＹ軸は直交するのが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、若干の方向のずれがあってもよい。

なお、駆動腕１０には駆動電極（図１（Ａ）では不図示）が設けられ、検出腕３０には検出電極（図１（Ａ）では不図示）が設けられる。また、基部１０は、センサーケース（不図示）等に、例えば接着剤によって固定される。

基部１０、第１駆動腕２０、第２駆動腕２０’ならびに検出腕３０自体を水晶結晶板のような圧電材料板で構成することができる。また、基部１０、ならびに第１駆動腕２０、第２駆動腕２０’および検出腕３０における基材を弾性を有する材料で構成し、その基材上に圧電膜を形成してもよい。つまり、圧電膜のもつ圧電特性によって、電界を歪みに変換して駆動腕を振動させたり、検出腕に生じた第２検出振動を電界に変換したりすることもできる。但し、基部１０、第１駆動腕２０、第２駆動腕２０’および検出腕３０自体を水晶板等で構成する構造は、圧電膜を基材上に形成する構造に比べて、振動ロスが少なく、耐久性も高い。

なお、本実施形態では、図１（Ａ）の振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）は、基部１０、第１駆動腕２０、第２駆動腕２０’および検出腕３０自体が、Ｚ板（略Ｚ板）の水晶結晶板によって構成されるものとする。

検出腕３０の先端付近に設けられる連結部２５は、基部１０とは異なり、固定されていないことから、第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’がコリオリ力によって変位すると、その変位に伴って連結部２５も変位し、よって、検出腕３０も変位する。よって、第１２駆動腕２０および第２駆動腕２０’に生じたコリオリ力を、検出腕３０に効率的に伝達すること（つまり、コリオリ力を検出振動に効率的に変換すること）ができる。

また、第１方向の軸（Ｙ軸）と第２方向の軸（Ｘ軸）とで規定される平面（ＸＹ平面）は、例えば水晶板のＺ面を含む平面である上述のとおり、第１方向と第２方向は、広義には互いに交差する方向であり、以下の説明では、互いに直交するものとする。

図１（Ａ）に示されるように、第１駆動腕２０における駆動振動ＶＡ、ならびに、第２駆動腕２０’における駆動振動ＶＡ’は共に、面外方向（ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向）に生じる。この駆動振動ＶＡ，ＶＡ’は、例えば、水晶板の第２方向の電界（Ｘ軸方向の電界Ｅｘ）に対応する第２方向の歪み（Ｓｘ）を利用することによって生じさせることができる。

ここで、図１（Ｂ）を参照する。図１（Ｂ）は、水晶板の圧電定数と電界と歪みの関係を示す図である。太線で囲んで示されるように、水晶板は、第２方向の電界Ｅｘに対応する圧電定数として、高い数値を示しているｄ１１とｄ１２の二つを有している。ｄ１１は、第２方向の電界Ｅｘに対応して発生する第２方向（Ｘ軸方向）の歪みの大きさに関係する圧電定数であり、ｄ１２は、第２方向の電界Ｅｘに対応して発生する第１方向（Ｙ軸方向）の歪みの大きさに関係する圧電定数である。図示されるように、ｄ１１、ｄ１２は共に高い数値を示しており、電界Ｅｘによって大きな歪みＳｘ、Ｓｙを生じさせる、逆に歪みＳｘ、Ｓｙによって大きな電界Ｅｘを生じさせることができることを表している。よって、駆動振動の励振や、物理量の検出のために使用することができる。なお、ｄ１２について極性が負になっているのは、Ｘ方向に正の電界（＋Ｅｘ）が生じたとき、Ｙ方向に負の歪み、すなわち収縮が生じることを意味している。

つまり、水晶板は、第２方向（Ｘ軸方向）の正の電界＋Ｅｘが生じると、ｄ１１によって第２方向（Ｘ軸方向）に伸張する歪みＳｘが発生し、また、ｄ１２によって、Ｙ方向に収縮する歪みＳｙが発生する。本実施形態では、圧電定数ｄ１１による歪みＳｘを、駆動振動ＶＡおよびＶＡ’の励振に使用する。

また、逆に、水晶板に、例えば、第１方向（Ｙ軸方向）の収縮歪みＳｙが生じると、圧電定数ｄ１２によって、正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に電界＋Ｅｘが生じ、その電界の向きに電荷が移動する。本態様では、この圧電定数ｄ１２を、検出振動を電気信号に変換するために利用する。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、振動型ジャイロ素子の物理量の検出原理を説明するための図である。図２（Ａ）は、各腕の振動姿態の一例を示す図であり、図２（Ｂ）は電気信号の検出動作を示す図である。

上述のとおり、第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’は、水晶結晶の圧電定数ｄ１１による歪みＳｘを利用して、第３方向（第１方向軸および第２方向軸で規定される平面に直交する方向であり、ここではＺ軸方向）に励振され、これによって駆動振動（面外振動）ＶＡ，ＶＡ’が生じる。駆動振動ＶＡ、ＶＡ’は同相の駆動振動である。つまり、第１駆動腕２０が正の第３方向（＋Ｚ軸方向）に変位するときは、第２駆動腕２０’も正の第３方向（＋Ｚ軸方向）に変位し、第１駆動腕２０が負の第３方向（−Ｚ軸方向）に変位するときは、第２駆動腕２０’も負の第３方向（−Ｚ軸方向）に変位する。

この状態で、振動型ジャイロ素子１００が、第１方向（Ｙ軸方向）の軸回りに回転すると、駆動腕に角速度が加わる。３次元空間における角速度は角速度ベクトルによって表すことができる。図２（Ａ）では、Ｙ軸に関して、図中の矢印で示す方向に角速度が生じ、この場合の角速度ベクトルは、右ネジの進行方向（すなわち＋Ｙ軸方向）に生じる。

駆動振動中の第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’に角速度Ωが作用することによって、各腕にコリオリ力Ｆｃ（Ｆｃ）が第２方向（Ｘ軸方向：ここでは−Ｘ軸方向）に生じる。これによって、第１駆動腕２０、第２駆動腕２０’は、負の第２方向（−Ｘ軸方向）に変位する。この変位は、連結部２５を介して検出腕３０に伝わり、検出腕３０も負の第２方向（−Ｘ軸方向）に変位する。つまり、検出腕３０に、−ΔＸの変位が生じる。これによって、検出腕３０に検出振動ＶＢが生じる。図２（Ａ）の例では、検出振動ＶＢの方向は負の第２方向（−Ｘ軸方向）である。

検出腕３０が屈曲すると、検出腕３０には、図示したように第１方向（Ｙ軸方向）の歪みＳｙによる電界Ｅｘ（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）が生じる。つまり、検出腕３０を構成する水晶板の、第２方向（Ｘ軸方向）の電界（Ｅｘ）に対応した第１方向の歪みＳｙに関係する圧電定数（ｄ１２）によって、第２方向の電界（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）が生じる。この第２方向の電界（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）によって電荷Ｑ１，Ｑ２の移動が生じる。つまり、微小な電流が生じる。この微小な電気信号（電荷信号あるいは電流信号）に基づいて、角速度を検出することができる。

図２（Ｂ）には、検出腕３０のＡ−Ａ線に沿う断面図が示されている。検出腕３０は、第１主面としての第１面（表面：Ａ面）と、第１面に対向する第２主面としての第２面（裏面：Ｂ面）と、第１面と第２面とを連結する第３面（左側面：Ｃ面）と、第３面に対向する第４面（右側面：Ｄ面）とを有する。第１面、第２面、第３面および第４面の各々には、検出電極としての第１電極３２ａ、第２電極３２ｂ、第３電極３２ｃならびに第４電極３２ｄが設けられている。

第１電極３２ａは第２電極３２ｃに接続され、第３電極３２ｃは第４電極３２ｄに接続されている。第１電極３２ａと第２電極３２ｂの共通接続点ＮＰ１は、検出回路の前段に配置されているＱ／Ｖ変換回路１２０の入力端子Ｊ１に接続される。また、第３電極３２ｃと第４電極３２ｄの共通接続点ＮＰ２は、Ｑ／Ｖ変換回路１２０の入力端子Ｊ２に接続される。

検出腕３０に検出振動ＶＢが生じると、検出腕３０の第１方向（Ｙ軸方向）の歪み（−Ｓｙ，＋Ｓｙ）に対応して、圧電定数ｄ１２による電界Ｅｘ（第２方向の電界＋Ｅｘ，−Ｅｘ）が生じる。電界Ｅｘ（＋Ｅｘ，−Ｅｘ）が生じると、この電界Ｅｘに対応して電荷Ｑの移動が生じる。つまり、図２（Ｂ）において矢印で示す方向（端子Ｊ２から端子Ｊ１に向かう方向）に、電荷Ｑの移動が生じる。電荷の移動によって生じる微小な電流信号（電荷信号）は、検出回路の前段に配置されているＱ／Ｖ変換回路１２０によって電圧に変換される。この電圧信号に基づいて物理量（角速度）が検出される。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、振動型ジャイロ素子の物理量の検出原理を説明するための図である。図３（Ａ）は、各腕の振動姿態の他の例を示す図であり、図３（Ｂ）は電気信号の検出動作を示す図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）の各々は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に対応する。

図３（Ａ）の例では、第１駆動腕２０は、面外方向の駆動振動ＶＡによって正の第３方向（＋Ｚ軸方向）に屈曲しており、同様に、第２駆動腕２０’は、面外方向の駆動振動ＶＡ’によって正の第３方向（＋Ｚ軸方向）に屈曲している。この状態で、第１方向の軸（ここでは＋Ｙ軸方向）の回りに角速度Ωが作用すると、正の第２方向（＋Ｘ軸方向）にコリオリ力Ｆｃが生じる。

これによって、第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’の各々は、正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に変位する。この変位は、連結部２５を介して検出腕３０に伝わり、検出腕３０も正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に変位する。つまり、検出腕３０に、＋ΔＸの変位が生じる。これによって、検出腕３０に検出振動ＶＢが生じる。図３（Ａ）の例では、検出振動ＶＢの方向は正の第２方向（＋Ｘ軸方向）である。

検出腕３０に検出振動ＶＢが生じると、先に説明したように、水晶結晶の圧電定数ｄ１２によって第２方向の電界Ｅｘ（＋Ｅｘと−Ｅｘ）が生じ、これに伴って電荷Ｑの移動が生じる。

つまり、図３（Ｂ）において矢印で示す方向（端子Ｊ１から端子Ｊ２に向かう方向）に、電荷Ｑの移動が生じる。電荷の移動によって生じる微小な電流信号（電荷信号）は、検出回路の前段に配置されているＱ／Ｖ変換回路１２０によって電圧に変換される。この電圧信号に基づいて物理量（角速度）が検出される。

以上説明した振動型ジャイロ素子１００は、駆動振動として面外振動（ウォークモードの振動）を利用することから、従来の面内の駆動振動を利用する場合に比べて、振動の振幅を容易に大きくできる（隣接して他の腕が存在しないため、他の腕によって振幅が制限されることがなく、機械的な耐久性が確保される範囲内で振幅を増大させることが可能である。

また、第１駆動腕２０と第２駆動腕２０’は、水晶板（圧電板）の基本的な結晶軸に沿って配置されることから、例えばフォトリソグラフィーを用いて精度よく加工することができる。

また、ウォークモードの振動（面外振動）では、正の第３方向（＋Ｚ軸方向）の変位と負の第３方向（−Ｚ軸方向）の変位はバランスよく生じる。つまり、第１駆動腕２０の駆動振動ＶＡと、第２駆動腕２０’の駆動振動ＶＡ’は、互いにバランスがとれている。このことは、物理量（角速度や角加速度等）の検出効率を高めることに貢献する。

また、駆動腕（２０，２０’）と検出腕３０が分離されていることから、各腕における電極配置や配線も無理なく行える。また、駆動腕（２０，２０’）と検出腕３０が分離されていることから、静電結合や電気機械結合の影響も低減される。

また、第１駆動腕２０の駆動振動ＶＡと、第２駆動腕２０’の駆動振動ＶＡ’のバランスがとれていることから、機械結合によって、各駆動腕から検出腕に漏れ込む不要な駆動振動成分を効率的に相殺することもできる。なお、静電結合、電気機械結合ならびに機械結合については、図１７を用いて後述する。

また、基部１０、駆動腕（２０，２０’）および検出腕３０自体を水晶板で構成し、水晶板自体がもつ圧電定数を用いて駆動振動を励振し、かつ水晶板自体がもつ圧電定数を用いて検出信号（電気信号）を検出することによって、圧電膜を基材上に形成する構造に比べて、振動ロスが少なく、また耐久性を高くすることができる。

図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、電極の配置例を示す図である。図４（Ａ）は、振動型ジャイロ素子１００の第１面（表面）における電極配置を示す図である。図４（Ｂ）は、振動型ジャイロ素子１００の第２面（裏面）における電極配置を示す透視図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図４（Ｄ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

まず、駆動腕２０に設けられる駆動電極（櫛歯電極）について説明する。駆動腕２０は一対の主面（第１面（表面）と第２面（裏面））を有する。この一対の主面の少なくとも一方に、櫛歯電極が形成される。本実施形態では、第１面（表面）および第２面（裏面）の双方に櫛歯電極が形成される。

図４（Ａ）において太い点線で囲んで示されるように、第１駆動腕２０の第１面（表面）には、櫛歯電極（ＩＤＴ（interdigital transducer)電極）４０ａが設けられる。櫛歯電極４０ａは、電極４１ａ（斜線が施されている電極）と電極４１ｂ（黒塗りの電極）とを有する。

同様に、第２駆動腕２０’の第１面（表面）には、櫛歯電極（ＩＤＴ電極）４０ｂが設けられる。櫛歯電極４０ｂは、電極４１ａ’（斜線が施されている電極）と電極４１ｂ’（黒塗りの電極）とを有する。

また、図４（Ｂ）において太い点線で囲んで示すように、第１駆動腕２０の第２面（裏面）には、櫛歯電極４０ｃが設けられる。櫛歯電極４０ｃは、電極４１ｃ（斜線が施された電極）と電極４１ｄ（黒塗りの電極）とを有する。電極４１ｃは、電極４１ａに接続される。また、電極４１ｄは、電極４１ｂに接続される。

同様に、第２駆動腕２０’の第２面（裏面）には、櫛歯電極（ＩＤＴ電極）４１ｄが設けられる。櫛歯電極４１ｄは、電極４１ｃ’（斜線が施されている電極）と電極４１ｄ’（黒塗りの電極）とを有する。

ここで、図４（Ｄ）を参照する。第１駆動腕２０に設けられる第１駆動電極としての櫛歯電極４０ａ（表面に設けられる櫛歯電極）は、所定距離Ｌ１だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極（電極４１ａと電極４１ｂ）からなる第１対向部分４２（１）と、第１対向部分４２（１）に隣接して設けられ、かつ、所定距離Ｌ１だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極（４１ａ，４１ｂ）からなる第２対向部分４２（２）と、第２対向部分４２（２）に隣接して設けられ、かつ、所定距離Ｌ１だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極（４１ａ，４１ｂ）からなる第３対向部分４２（３）と、を有している。

第１対向部分４１（１）〜第３対向部分４２（３）の各々は、駆動腕２０の延出方向である第２方向（Ｘ軸方向）に沿って配置されている。また、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間の距離（あるいは、第２対向部分４２（２）と第３対向部分４２（３）との間の距離）をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立する。

Ｌ１＜Ｌ２とするのは、以下の理由による。以下の説明では、第１対向部分４２（１）および第２対向部分４２（２）に着目する。第１対向部分４２（１）および第２対向部分４２（２）の各々において、対向する一対の電極（４１ａ，４１ｂ）間に電界（有効電界）Ｅｘ（１）が生じ、この電界（有効電界）Ｅｘ（１）が駆動腕２０に加えられ、駆動腕２０に圧縮または伸張（引っ張り）の各応力が生じる。

一方、第１対向部分４２（１）における第２対向部分側の電極４１ｂと、第２対向部分４２（２）の第１対向部分側の電極４１ａとの間にも電界（無効電界）Ｅｘ２が生じる。第１対向部分４２（１）および第２対向部分４２（２）の各々において生じる有効電界の方向Ｅｘ（１）と、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間に生じる無効電界Ｅｘ（２）の方向が逆である場合、有効電界Ｅｘ（１）の一部が無効電界Ｅｘ（２）によって打ち消されるという不都合が生じる。

このため、図４（Ｄ）に示される例では、第１対向部分４２（１）および第２対向部分４２（２）の各々における電極間の距離Ｌ１よりも、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間の距離（Ｌ２：具体的には、第１対向部分の第２対向部分側の電極４１ｂと第２対向部分の第１対向部分側の電極４１ａとの間の距離）を大きく設定する。これによって、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間に生じる無効電界Ｅｘ（２）による悪影響（つまり、有効電界Ｅｘ（１）の一部が無効電界Ｅｘ（２）によって打ち消されること）を軽減することができる。

次に、検出腕３０における検出電極の配置について説明する。ここでは図４（Ｃ）を参照する。先に説明したとおり、検出腕３０は、第１面（表面：Ａ面）と、第１面に対向する第２面（裏面：Ｂ面）と、第１面と第２面を連結する第３面（左側面：Ｃ面）と、第３面に対向する第４面（右側面：Ｄ面）とを有する。

検出電極は、検出腕３０の第１面（Ａ面）に設けられる第１電極３２ａと、検出腕３０の第２面（Ｂ面）に設けられ、第１電極３２ａに接続されている第２電極３２ｂと、検出腕３０の第３面（Ｃ面）に設けられ、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂから電気的に独立している第３電極３２ｃと、検出腕３０の第４面（Ｄ面）に設けられ、第３電極３２ｃに接続されている第４電極３２ｄと、を有する。第１電極３２ａと第２電極３２ｂの共通接続点をＪ１とする。第３電極３２ｃと第４電極３２ｃの共通接続点をＪ２とする。共通接続点Ｊ１およびＪ２は、検出回路の入力端子に相当する。

図５は、振動型ジャイロセンサーの構成の一例を示す図である。図５において、振動型ジャイロセンサー１０５は、振動型ジャイロ素子１００と、発振駆動回路１１０と、検出回路１４０と、を有する。発振駆動回路１１０は、ＡＧＣ回路１１２を有する。発振駆動回路１１０の入力端子Ｊ３およびＪ４は各々、振動型ジャイロ素子１００の基部１０に設けられるパッドＰ３およびパッドＰ４の各々に接続される。

また、検出回路１４０は、Ｑ／Ｖ変換回路１２０と、増幅回路１２２と、移相器１２４と、同期検波回路１２６と、ローパスフィルター（ＬＰＦ）１２８と、Ａ／Ｄ変換回路１３０と、を有する。検出回路１４０の入力端子Ｊ１およびＪ２の各々は、振動型ジャイロ素子１００の基部１０に設けられるパッドＰ１およびパッドＰ２の各々に接続される。
本実施形態では、不要な駆動振動成分（機械結合）は十分に低減される。実用上問題ないレベルまで不要な駆動振動成分を低減できるのであれば、Ｑ／Ｖ変換回路や増幅回路など初段の増幅率を高く、後段の増幅率を低く設定できるため検出回路で発生するノイズを低減することができる。つまり低ノイズなジャイロセンサーを実現できる。

また、図５において、Ｌ１〜Ｌ１１およびＬ１’〜Ｌ１１’の各々は、導体材料で構成される配線を示している。これらの配線は、必要に応じて、第１面上、第２面上、第３面上、第４面上のいずれにも形成することができる。なお、点線で囲んで示される配線Ｌ５および配線Ｌ１０は、スルーホールを経由する迂回配線である。

図６は、駆動振動の励振の一例について説明するための図である。図６の上側には駆動腕２０の平面図が示され、中段には駆動腕のＡ−Ａ線に沿う断面図が示され、下側には面外方向に振動している駆動腕の様子が示されている。図示されるように、櫛歯電極による第２方向（Ｘ軸方向）の電界Ｅｘによって、駆動腕の第１面（Ａ面）および第２面（Ｂ面）に歪み（応力）が発生する。第１面（Ａ）面に収縮応力が発生し、第２面に伸張（引っ張り）応力が発生する場合には、駆動腕２０は、正の第３方向（＋Ｚ方向）に屈曲する。一方、第１面（Ａ）面に伸張（引っ張り）応力が発生し、第２面に収縮応力が発生する場合には、駆動腕２０は、負の第３方向（−Ｚ方向）に屈曲する。正の第３方向（＋Ｚ方向）への屈曲と、負の第３方向（−Ｚ方向）への屈曲は交互に生じる。よって、第３方向（ＸＹ平面に垂直なＺ方向）の駆動振動（面外振動あるいはウォークモードの振動）が定常的に生じる。

なお、図６の中段に示される駆動電極の配置は一例であり、これに限定されるものではない。ここで、図１７を参照する。図１７は、駆動振動の励振の他の例について説明するための図である。

図１７の例では、駆動腕２０の第１面（Ａ面）に設けられる一対の櫛歯電極のうちの一方の電極４１ｂ（黒塗りの電極）と、駆動腕２０の第２面（Ｂ面）に設けられる一対の櫛歯電極のうちの一方の電極４１ｄ（黒塗りの電極：電極４１ｂと同電位の電極）とが、対向して設けられている。

例えば、電極４１ｂおよび電極４１ｄ（黒塗りの電極）の電位極性を＋とし、電極４１ａおよび電極４１ｃ（斜線の電極）の電位極性を−とする。第１面（Ａ面）に設けられる櫛歯電極の極性の並びは、電極４１ｂを起点として、基部（図中の左端）から遠ざかる方向に沿って、＋，−，＋，−，＋となる。また、第２面（Ｂ面）に設けられる櫛歯電極の極性の並びは、電極４１ｂに対向する電極４１ｄを起点として、基部（図中の左端）から遠ざかる方向に沿って、＋，−，＋，−，＋，−となる。このように、互いに対向する電極を起点として考えると、第１面（Ａ面）の櫛歯電極の極性の並びと、第２面（Ｂ面）の櫛歯電極の極性の並びとが一致していることになる。

このような電極配置によって、第１面（Ａ面）と第２面（Ｂ面）との間で、無駄な縦方向の電界が生じにくくなる。よって、駆動腕２０に無用な歪みが生じることが抑制される。また、無駄な電界が減少することから、消費電力を抑制することもできる。

ここで、図７に戻って説明を続ける。以下、本実施形態によれば、機械結合による影響を十分に抑制できる理由について説明する。図７（Ａ）〜図７（Ｇ）は、機械結合による影響を抑制できる理由について説明するための図である。

先に説明したように、第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’の各々には、理想的には、第３方向（Ｚ軸方向）の駆動振動ＶＡおよびＶＡ’が生じる。但し、実際の駆動振動には、第３方向（Ｚ軸方向）以外の方向の振動成分も混在している。

図７（Ｂ）〜図７（Ｅ）の各々は、図７（Ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う、第１駆動腕の断面図の例を示す。図７（Ｂ）に示されるように、第１駆動腕２０の断面形状が理想的に線対称であれば、駆動振動ＶＡは第３方向（Ｚ軸方向）に生じる。理想的な駆動振動ＶＡならば、検出腕３０に漏れ込む不要な駆動振動成分は、ほとんど発生しない。

しかし、実際は、図７（Ｃ）〜図７（Ｅ）に示すように、第１駆動腕２０の断面形状は、加工誤差によって線対称ではなくなり、したがって、第１方向（Ｙ軸方向）に、不要な駆動振動成分ｖａ（ｙ）が生じる。以上の説明では、第１駆動腕２０についての駆動振動ＶＡを例にとったが、第２駆動腕２０’についての駆動振動ＶＡ’についても同様に、不要な駆動振動成分ｖａ（ｙ）’が生じる。

図７（Ａ）に示すように、不要な駆動振動成分ｖａ（ｙ）は、機械結合によって第１駆動腕２０から検出腕３０に漏れ込む。また、不要な駆動振動成分ｖａ（ｙ）’は、機械結合によって第１駆動腕２０から検出腕３０に漏れ込む。

この場合、図７（Ｆ）に示すように、検出腕３０を構成する圧電体（水晶）には第１方向の歪みＳｙが生じ、圧電定数ｄ１２によって、検出腕３０の第３電極３２ｃ側には電界Ｅｘ’が発生しようとし、また、検出腕３０の第４電極３２ｄ側には電界Ｅｘが発生しようとする。電界Ｅｘ’と電界Ｅｘの向きは同じ方向（つまり、第３電極３２ｃから第４電極３２ｄに向かう方向）である。

しかし、実際には、第３電極３２ｃと第４電極３２ｄは共通に接続されており、同電位であるため電位差が生じず、よって、圧電定数ｄ１２による電界Ｅｘ’ならびに電界Ｅｘは発生せず、電荷の移動は生じない。なお、通常の検出動作の場合は、第２方向（Ｘ軸方向）への振動であり例えば図７（Ｇ）に示すように、方向が逆向きの電界＋Ｅｘ、−Ｅｘが生じることから、第１電極３２ａおよび第２電極３２ｂと、第３電極３２ｃおよび第４電極３２ｄとの間で、電荷の移動が生じる。

つまり、第１駆動腕２０および第２駆動腕２０’の各々からのＹ方向の駆動振動成分ｖａ（ｙ）ならびにｖａ（ｙ）’は、連結部２５を介して検出腕３０に伝播されるものの、生じる応力の向きが同じであることから相殺され、よって、検出電極（３２ａ〜３２ｄ）からは不要な駆動振動成分は出力されないことになる。つまり、機械結合による第１方向（Ｙ軸方向）の振動成分に対して不感の検出系が実現される。

特に、本実施形態では、第１駆動腕２０と第２駆動腕２０’は、水晶板（圧電板）の基本的な結晶軸に沿って配置されることから、例えばフォトリソグラフィーを用いて精度よく加工することができ、また、ウォークモードの振動（面外振動）では、正の第３方向（＋Ｚ軸方向）の変位と負の第３方向（−Ｚ軸方向）の変位はバランスよく生じることから、第１駆動腕２０の駆動振動ＶＡと、第２駆動腕２０’の駆動振動ＶＡ’は、互いにバランスがとれている。よって、不要な駆動振動成分の相殺の効果が高く、よってノイズ信号を十分に低くすることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、検出腕の数、ならびに駆動腕の数を増加させ、また、各駆動腕に、バランスのとれたウォークモードの駆動振動を励振し、これらによって、物理量の検出感度を向上させる。

図８は、第２実施形態にかかる振動型ジャイロ素子の構成を示す図である。図８の振動型ジャイロ素子１００は、基部１０と、基部１０から、所定面内（ここでは水晶のＺ面を含むＸＹ面内）で正の第１方向（＋Ｙ軸方向）に延出する第１検出腕３０と、基部１０から、所定面内で、正の第１方向とは逆向きの負の第１方向（−Ｙ軸方向）に延出する第２検出腕３０’と、第１検出腕３０の連結部２５から正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に延出する第１駆動腕２０ａと、第１検出腕の連結部２５から負の第２方向（−Ｘ軸方向）に延出する第２駆動腕２０ａ’と、基部１０から、正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に延出する第３駆動腕２０ｂと、基部１０から、負の第２方向（−Ｘ軸方向）に延出する第４駆動腕２０’と、第２検出腕３０’の連結部２５’から正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に延出する第５駆動腕２０ｃと、第２検出腕３０’の連結部２５’から負の第２方向（−Ｘ軸方向）に延出する第６駆動腕２０ｃ’と、第１駆動腕２０ａに設けられる第１駆動電極４０（１）と、第２駆動腕２０ａ’に設けられる第２駆動電極４０（２）と、第３駆動腕２０ｂに設けられる第３駆動電極４０（３）と、第４駆動腕２０ｂ’に設けられる第４駆動電極４０（４）と、第５駆動腕２０ｃに設けられる第５駆動電極４０（５）と、第６駆動腕２０ｃ’に設けられる第６駆動電極４０（６）と、第１検出腕３０に設けられる第１検出電極（３２ａ〜３２ｄ）と、第２検出腕３０’に設けられる第２検出電極（３２ａ’〜３２ｄ’）と、を含む。

第１駆動電極４０（１）は、第１駆動腕２０ａにおける一対の主面の少なくとも一方（本実施形態では両主面の各々とする）に設けられる第１櫛歯電極（電極４１ａ（１）と電極４１ｂ（１）を含む）であり、第２駆動電極４０（２）は、第２駆動腕２０ａ’における一対の主面の少なくとも一方（本実施形態では両主面の各々とする）に設けられる第２櫛歯電極（電極４１ａ（１）’と電極４１ｂ（１）’を含む）であり、第３駆動電極４０（３）は、第２駆動腕２０ａ’における一対の主面の少なくとも一方（本実施形態では両主面の各々とする）に設けられる第３櫛歯電極（電極４１ａ（２）と電極４１ｂ（２）を含む）であり、第４駆動電極４０（４）は、第４駆動腕２０ｂ’における一対の主面の少なくとも一方（本実施形態では両主面の各々とする）に設けられる第４櫛歯電極（電極４１ａ（２）’と電極４１ｂ（２）’を含む）であり、第５駆動電極４０（５）は、第５駆動腕２０ｃにおける一対の主面の少なくとも一方（本実施形態では両主面の各々とする）に設けられる第５櫛歯電極（電極４１ａ（３）と電極４１ｂ（３）を含む）であり、第６駆動電極４０（６）は、第６駆動腕２０ｃ’における一対の主面の少なくとも一方（本実施形態では両主面の各々とする）に設けられる第６櫛歯電極（電極４１ａ（３）’と電極４１ｂ（３）’を含む）である。

図９（Ａ）〜図９（Ｆ）は、図８に示される振動型ジャイロ素子の振動姿態の例を示す図である。図９（Ａ）、図９（Ｃ）、図９（Ｅ）は駆動振動ＶＡ，ＶＡ’の態様のみを示す斜視図である。図９（Ｂ）、図９（Ｄ）、図９（Ｆ）は検出振動ＶＢによる各腕の屈曲状態のみを示す平面図（すなわち、平面視における各腕の変位状態を示す図）である。また、図９（Ｂ）は図９（Ａ）に対応し、図９（Ｄ）は図９（Ｃ）に対応し、図９（Ｆ）は図９（Ｅ）に対応する。

図９（Ａ）および図９（Ｂ）では、振動型ジャイロ素子１００は静止状態にある。図９（Ｃ）では、振動型ジャイロ素子１００の第１駆動腕２０ａ、第２駆動腕２０ａ’、第５駆動腕２０ｃ、第６駆動腕２０ｃ’は、駆動振動ＶＡ，ＶＡ’によって、正の第３方向（＋Ｚ軸方向）に屈曲している。一方、第３駆動腕２０ｂ、第４駆動腕２０ｂ’は、駆動振動ＶＡ，ＶＡ’によって、負の第３方向（−Ｚ軸方向）に屈曲している。

図９（Ｄ）では、正の第１方向の軸（＋Ｙ軸）回りに角速度Ωが生じ、これによって、第３駆動腕２０ｂおよび第４駆動腕２０ｂ’以外の腕は、検出振動ＶＢによって、負の第２方向（−Ｘ軸方向）に変位している。第３駆動腕２０ｂおよび第４駆動腕２０ｂ’にも、正の第２方向（＋Ｘ軸方向）のコリオリ力が作用するが、基部１０は固定されていることから、第３駆動腕２０ｂおよび第４駆動腕２０ｂ’には変位は生じない。

図９（Ｅ）では、振動型ジャイロ素子１００の第１駆動腕２０ａ、第２駆動腕２０ａ’、第５駆動腕２０ｃ、第６駆動腕２０ｃ’は、駆動振動ＶＡ，ＶＡ’によって、負の第３方向（−Ｚ軸方向）に屈曲している。一方、第３駆動腕２０ｂ、第４駆動腕２０ｂ’は、駆動振動ＶＡ，ＶＡ’によって、正の第３方向（＋Ｚ軸方向）に屈曲している。

図９（Ｆ）では、正の第１方向の軸（＋Ｙ軸）回りに角速度Ωが生じ、これによって、第３駆動腕２０ｂおよび第４駆動腕２０ｂ’以外の腕は、検出振動ＶＢによって、正の第２方向（＋Ｘ軸方向）に変位している。第３駆動腕２０ｂおよび第４駆動腕２０ｂ’にも、負の第２方向（−Ｘ軸方向）のコリオリ力が作用するが、基部１０は固定されていることから、第３駆動腕２０ｂおよび第４駆動腕２０ｂ’には変位は生じない。

本実施形態では、第１駆動腕２０ａと第２駆動腕２０ａ’ならびに第５駆動腕２０ｃと第６駆動腕２０ｃ’の各々には、第３方向（Ｚ軸方向）に、かつ、各腕の変位が同じ向きとなるように、ウォークモードの駆動振動が励振される。一方、第３駆動腕２０ｂと第４駆動腕２０ｂ’の各々には、第３方向（Ｚ軸方向）であって、かつ、変位の向きが、第１駆動腕２０ａと第２駆動腕２０ａ’ならびに第５駆動腕２０ｃと第６駆動腕２０ｃ’の各々の変位の方向とは逆になるように、ウォークモードの駆動振動が励振される。

換言すれば、３対の駆動腕のうち、両側の２対の駆動腕が同相駆動され、中央の１対の駆動腕は逆相で駆動されるのであり、これによって、力学的にバランスのとれた駆動振動を実現される。面外振動のバランスがよいことから、共振のＱ値が高くなり、駆動振動の振幅が増大し、振動周波数も安定する。よって、より高感度で、かつ、感度安定性が高い振動型ジャイロ素子が実現される。

また、２つの検出腕（第１検出腕３０と第２検出腕３０’）が設けられることから、電界によって移動する電荷量が増え、検出感度を高めることができる。

図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、第２実施形態にかかる振動型ジャイロセンサーにおける物理量の検出動作を説明するための図である。図１０（Ａ）に示されるような変位が各腕に生じている状態では、図１０（Ｂ）における矢印の向き（端子Ｊ１から端子Ｊ２に向かう向き）に電荷Ｑが移動する。

すなわち、図１０（Ｂ）に示されるように、第１検出腕３０の第１面（表面）には第１検出腕用の第１電極３２ａが設けられている。第１検出腕３０の第２面（裏面）には第１検出腕用の第２電極３２ｂが設けられている。第１検出腕３０の第３面（左側面）には第１検出腕用の第３電極３２ｃが設けられている。第１検出腕３０の第４面（右側面）には第１検出腕用の第４電極３２ｄが設けられている。

また、第２検出腕３０’の第１面（表面）には第２検出腕用の第１電極３２ａ’が設けられている。第２検出腕３０’の第２面（裏面）には第２検出腕用の第２電極３２ｂ’が設けられている。第２検出腕３０’の第３面（左側面）には第２検出腕用の第３電極３２ｃ’が設けられている。第２検出腕３０’の第４面（右側面）には第２検出腕用の第４電極３２ｄ’が設けられている。

そして、第１検出腕用の第１電極３２ａと、第１検出腕用の第２電極３２ｂと、第２検出腕用の第１電極３２ａ’と、第２検出腕用の第２電極３２ｂ’とは共通に接続されている。また、第１検出腕用の第３電極３２ｃと、第１検出腕用の第４電極３２ｄと、第２検出腕用の第３電極３２ｃ’と、第２検出腕用の第４電極３２ｄ’とは共通に接続されている。

第１検出腕３０には、検出振動ＶＢによる第１方向（Ｙ軸方向）の歪み（−Ｓｙおよび＋Ｓｙ）に対応して、圧電定数ｄ１２による電界（＋Ｅｘおよび−Ｅｘ）が生じ、同様に、第２検出腕３０’には、検出振動ＶＢによる第１方向（Ｙ軸方向）の歪み（−Ｓｙおよび＋Ｓｙ）に対応して、圧電定数ｄ１２による電界（＋Ｅｘおよび−Ｅｘ）が生じる。各検出腕に生じる電界の向きは同じである。この電界によって、各検出腕において電荷が移動する。よって、図１０（Ｂ）に示される矢印の向き（つまり、端子Ｊ１から端子Ｊ２に向かう方向）に電荷Ｑが移動する。

図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、第２実施形態にかかる振動型ジャイロセンサーにおける物理量の検出動作を説明するための図である。図１１（Ａ）に示されるような変位が各腕に生じている状態では、図１１（Ｂ）における矢印の向き（端子Ｊ２から端子Ｊ１に向かう向き）に電荷Ｑが移動する。つまり、第１検出腕３０には、検出振動ＶＢによる第１方向（Ｙ軸方向）の歪み（−Ｓｙおよび＋Ｓｙ）に対応して、圧電定数ｄ１２による電界（＋Ｅｘおよび−Ｅｘ）が生じ、同様に、第２検出腕３０’には、検出振動ＶＢによる第１方向（Ｙ軸方向）の歪み（−Ｓｙおよび＋Ｓｙ）に対応して、圧電定数ｄ１２による電界（＋Ｅｘおよび−Ｅｘ）が生じる。各検出腕に生じる電界の向きは同じである。この電界によって、各検出腕において電荷が移動する。よって、図１１（Ｂ）に示される矢印の向き（つまり、端子Ｊ２から端子Ｊ１に向かう方向）に電荷Ｑが移動する。

このようにして、電荷Ｑの移動が生じ、この電荷の移動に伴う電気信号（微小な電流信号）が検出電極（３２ａ〜３２ｄ、３２ａ’〜３２ｄ’）から取り出される。

（第３実施形態）
図１２は、振動型ジャイロ素子における駆動腕の他の例を示す図である。図１２の上側には、駆動腕２０の平面図が示され、下側には、駆動腕２０のＡ−Ａ線に沿う断面図が示される。

図１２の下側の断面図に示されるように、駆動腕２０の第１面（表面）には、凸部６０ａ〜６０ｃが設けられている。そして櫛歯電極を構成する、対向する一対の電極４１ａおよび４１ｂは、凸部６０ａ〜６０ｃの各々を挟むように形成されている。同様に、駆動腕２０の第２面（裏面）には、凸部６０ａ’〜６０ｃ’が設けられている。そして、櫛歯電極を構成する、対向する一対の電極４１ｃおよび４１ｄは、凸部６０ａ’〜６０ｃ’の各々を挟むように形成されている。

この構造によれば、無駄な電界が減少することから、対向する電極（４１ａと４１ｂ、４１ｃと４１ｄ）間に生じる電界Ｅｘの強度を大きくすることができる。よって、より効率的に駆動振動を励振することができる。

また、各対向部分間に生じる無効な電界（図中、点線で示される）は、空気（減圧パッケージ内では例えば真空に近い）の誘電率が、振動腕の材料（水晶や石英）等の誘電率よりも小さいことから弱められる。よって、無効電界によって有効電界が打ち消されることが効果的に低減される。この点も効率的な駆動振動の励振に寄与する。

よって、本実施形態によれば、効率的に駆動振動を励振することができるため駆動振動の振幅が増加し、角速度によって生じる検出振動振幅も大きくなることから、振動型ジャイロセンサーの、より高感度化が実現される。

（第４実施形態）
図１３は、振動型ジャイロ素子における駆動腕における櫛歯電極の他の構成例を示す図である。

先に説明した図４（Ｄ）の例では、櫛歯電極における、各対向部分間の距離は等間隔であったが、図１３の例では、各対向部分間の距離を、基部１０からの距離に応じて異ならせる。

図１３において、櫛歯電極の第１対向部分４２（１）、第２対向部分４２（２）、第３対向部分４２（３）の各々は、記載の順に、基部１０からの距離が遠くなる。そして、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間隔をＬ２とし、第２対向部分４２（２）と第３対向部分４２（３）との間の距離をＬ３としたとき、Ｌ２＜Ｌ３が成立する。この理由は以下のとおりである。

駆動腕２０に駆動振動（面外振動）を生じさせるためには、駆動腕２０の主面（例えば表面および裏面の少なくとも一方）において、圧縮や伸張（引っ張り）の歪み（応力）を生じさせる必要がある。駆動腕２０は、固定端である基部１０を基準として面外方向に振動することから、駆動腕の屈曲に最も有効な歪みは、基部１０に近い箇所における歪みである。基部から遠い箇所（先端付近）の歪みは駆動腕の屈曲に与える影響が小さい。

この考察に基づいて、本実施形態では、櫛歯電極に含まれる３つの対向部分の各々間の間隔を、基部からの距離に応じて変化させる。つまり、第１対向部分４２（１）と第２対向部分４２（２）との間の間隔Ｌ２よりも、第２対向部分４２（２）と第３対向部分４２（３）との間隔Ｌ３を大きく設定する。

図１３の例では、第１地点Ｎ１〜第２地点Ｎ２までの距離をＬ４としたとき、第２地点Ｎ２から第３地点Ｎ３までの距離Ｌ５が、２・Ｌ４となるように設定されている。

このようにすれば、駆動腕２０の延出方向に沿って配置される対向部分の数を、各対向部分を等間隔で配置する場合に比べて減少させることができる（特に、駆動腕が長い場合には、対向部分の数の削減効果が顕在化する）。このことは、駆動腕２０に発生する電界の総量が減ることを意味し、よって、消費電力の削減の効果が得られる。一方、基部１０から遠い箇所における電界が減少したとしても、その電界が駆動腕の屈曲に寄与する程度は小さいことから、駆動腕２０には、必要な振幅の駆動振動を生じさせることができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、基材上に圧電材料膜を形成する例について説明する。図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）は、振動型ジャイロ素子の他の例（基材上に圧電材料膜を形成する例）について説明するための図である。

図１４（Ａ）は、基材上に圧電材料膜（圧電膜）を形成した振動型ジャイロ素子１０２の平面図である。図１４（Ｂ）は、第１駆動腕２０のＡ−Ａ線に沿う断面図である。また、図１４（Ｃ）は、検出腕３０のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図１４（Ａ）に示される振動型ジャイロ素子１０２の基本的な動作は第１実施形態で示したものと同じである。但し、図１４の例では、駆動振動の励振ならびに検出腕の歪みの電気信号への変換に、基材上に形成される圧電材料膜を使用する。

基材は剛性を有する材料（例えば水晶やＳｉ）であり、圧電材料としては、例えば、ＺｎＯ，ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３のいずれかを使用することができる。図１４（Ｂ）において、剛性を有する基材９１上には、下部駆動電極９２と、圧電材料膜９３と、上部電極９４とで構成される積層体９０ａが設けられている。下部電極９２と上部電極９４との間に電界を加えることによって、圧電材料膜９３を伸縮させることができる。これによって、駆動腕に駆動振動（第３方向の面外振動）を生じさせることができる。

なお、第２駆動腕２０’にも同様の積層構造を有する積層体９０ｂが設けられており、同様の動作によって、第２駆動腕２０’に面外振動を生じさせることができる。

また、図１４（Ｃ）に示すように、検出腕３０の、例えば第１面上には、第１検出用積層体１１０ａと、第２検出用積層体１１０ｂと、が形成されている。第１検出用積層体１１０ａは、下部駆動電極１１２ａと、圧電材料膜９３ａと、上部電極１１４ａとで構成される。また、第２検出用積層体１１０ｂは、下部駆動電極１１２ｂと、圧電材料膜９３ｂと、上部電極１１４ｂとで構成される。

検出腕３０の先端が、例えば負の第２方向（−Ｘ側）に屈曲したときは、第２積層体１１０ｂの圧電材料膜９３ｂに圧縮力に伴う電界＋Ｅｚが発生し、第１積層体１１０ａの圧電材料膜９３ａに伸張力（引っ張り力）に伴う電界−Ｅｚが発生し、各電界によって、電荷の移動が生じる。各電荷の移動による変動電圧を差動検出すれば、検出腕３０の曲げ応力の大きさを検出することができ、よって、角速度を検出するがことができる。

図１５（Ａ）〜図１５（Ｆ）は、圧電材料膜（圧電セラミック）の特性を説明するための図である。図１５において、（＋）や（−）は極性を示し、丸で囲まれて示されている−は、分極されたマイナスイオンを示し、丸で囲まれて示されている＋は、分極されたプラスイオンを示す。図１５（Ａ）は、無負荷状態を示す。図１５（Ｂ）のように、圧電材料膜９３に圧縮が生じると、正極性の電圧が生じる。また、図１５（Ｃ）のように、圧電材料膜９３に引っ張りが生じると、負極性の電圧が生じる。

また、図１５（Ｄ）に示すように、圧電材料膜９３に正極性の電圧が印加されると、圧電材料膜９３に引っ張り応力が発生する。また、図１５（Ｅ）に示すように、圧電材料膜９３に負極性の電圧が印加されると、圧電材料膜９３に収縮応力が生じる。よって、図１５（Ｆ）に示すように、圧電材料膜９３に交流信号を供給すると、圧電材料膜９３に伸縮（伸張と収縮）を生じさせることができる。このような圧電材料膜の特性を利用すれば、図１４の例で説明したように、駆動腕に駆動振動（第３方向の面外振動）を生じさせることができ、また、駆動腕に生じる応力を電気信号に変換することもできる。

（第６実施形態）
本実施形態では、電子機器の一例について説明する。図１６は、振動型ジャイロセンサーを含む電子機器について説明する。図１６は、振動型ジャイロセンサーを含む電子機器の構成の一例を示す図である。

図１６において、上記いずれかの実施形態の振動型ジャイロ素子１００（あるいは１０２）ならびに他の種類の検出素子（ここでは加速度検出素子とする）５００を組み合わせることによって、高機能なセンサーユニット（電子機器の一種）６００を実現することができる。

また、このセンサーユニット６００（ならびに、例えばＣＰＵ７００等）を、カメラやＦＡ機器等の電子機器８００に搭載すれば、電子機器８００を、より高機能化することができる。すなわち、振動型ジャイロセンサー１００（１０２）は、従来に比べて格段に高精度な角速度の検出が可能であり、よって、電子機器（６００、８００）の性能が向上する。

（静電結合、電気機械的結合、機械結合についての説明）
図１８は、振動型ジャイロセンサーおける、静電結合、電気機械的結合ならびに機械結合について説明するための図である。図１７において、駆動電極４００と検出電極４３０とが近接して配置されると、各電極間には寄生容量が形成される。よって、各電極間で静電結合（クロストーク）ＣＰ１が生じ易くなる。

また、駆動電極４００と検出電極４３０が近接して配置され、かつ、駆動電極４００と検出電極４３０の電位が異なる場合には、意図しない不要な電界が生じ、これに伴う不要な振動成分が発生する。つまり、電気機械結合ＣＰ２およびＣＰ３が生じる。

また、剛性のある材料を経由した機械結合Ｃ４により、駆動腕に生じる駆動振動の一部が、検出腕に漏れ込む（伝播する）場合も有り得る。上述のとおり、本発明の各実施形態にかかる振動型ジャイロセンサーでは、駆動腕と検出腕が分離されていることから、各腕における電極配置や配線も無理なく行える。また、駆動腕と検出腕が分離されていることから、静電結合や電気機械結合の影響も低減される。

また、先に説明したように、本発明の各実施形態では、駆動腕から漏れ込む不要な駆動振動成分は相殺されて、十分に抑制される。よって、機械結合による影響を低減できる。

このように、本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる振動型ジャイロ素子では、機械結合による不要な振動成分を相殺し十分に抑制したため、加工誤差が存在した場合においても機械結合による余計な信号を抑制できる。このため温度による機械結合の変動の影響も小さく、温度安定性のよいジャイロセンサーが実現できる。さらに、機械結合による余計な信号が生じないことから、効率的にコリオリ力を検出することができ、低ノイズなジャイロセンサーを実現できる。加えて、駆動振動として面外振動（ウォークモードの振動）を利用することから、従来の面内の駆動振動を利用する場合に比べて、駆動腕に生じた検出振動を、より効率的に検出腕に伝えることができ、高精度の検出が可能な振動型ジャイロセンサー（振動型ジャイロスコープ）を実現することができる。よって、物理量の検出効率を格段に高めることができる。なお、振動型ジャイロセンサーは、上記いずれかの実施形態の振動型ジャイロ素子と、検出電極から出力される電気信号に基づいて、例えば第１方向の軸回りに作用する角速度を検出する検出回路（図５の参照符号１４０）と、を含む。

また、前掲の実施形態において、駆動腕あるいは検出腕となり得る第１の振動腕と、検出腕または駆動腕となり得る振動腕とを例えば直交して配置しておき、用途に応じて、櫛歯電極をいずれか一方の振動腕に形成し、検出電極をいずれか他方の振動腕に形成することによって、角速度の検出軸を切り換えることができる。本発明の実施形態では、このような応用が適宜、可能である。

以上、本発明をいくつかの実施形態を用いて説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、本願発明の振動型ジャイロセンサーはデジタルカメラ、カーナビゲーションシステム、携帯電話、モバイルＰＣ、およびゲームコントローラ等の電子機器にも適用可能である。本願発明の振動型ジャイロセンサーを用いれば、電子機器の角速度（物理量）の検出精度を向上できる。

１０ 基部、２０ａ 第１駆動腕（第１駆動アーム）、
２０ａ’ 第２駆動腕（第２駆動アーム）、
３０ 検出腕（あるいは第１検出腕：検出アーム）、
３２ａ〜３２ｄ 検出電極、４０ａ〜４０ｃ 櫛歯電極、
４１ａと４１ｂ，４１ｃと４１ｄ 櫛歯電極を構成する一対の電極、
１００ 振動型ジャイロ素子（振動型ジャイロセンサー用振動片）、
１０５ 振動型ジャイロセンサー、１４０ 検出回路、Ｐ１〜Ｐ４ パッド、
Ｓｙ，Ｓｘ 第２方向電界に対応した、圧電材料の第１方向および第２方向の圧電定数、
Ｅｘ 第２方向電界

Claims (10)

1. 基部と、
   前記基部から、所定面内で第１方向に延出する検出腕と、
   前記検出腕の前記基部側の端部と反対側の端部に設けた連結部と、
   前記連結部から、前記所定面内で前記第１方向と交差する方向である正の第２方向に延出する第１駆動腕と、
   前記検出腕の前記連結部から、正の第２方向とは逆向きの負の第２方向に延出する第２駆動腕と、
   前記第１駆動腕に設けられる第１駆動電極と、
   前記第２駆動腕に設けられる第２駆動電極と、
   前記検出腕に設けられる検出電極と、
   を含み、
   前記第１駆動腕は、前記第１駆動電極によって形成される電界による歪みによって、前記所定面に直交する第３方向に振動し、
   前記第２駆動腕は、前記第２駆動電極によって形成される電界による歪みによって、前記第３方向に振動し、
   前記第１駆動腕が正の第３方向に変位するときは、前記第２駆動腕も正の第３方向に変位すると共に、前記第１駆動腕が負の第３方向に変位するときは、前記第２駆動腕も負の第３方向に変位することを特徴とするジャイロ素子。
2. 請求項１に記載のジャイロ素子であって、
   前記第１方向の軸回りに作用する角速度によって前記第１駆動腕および前記第２駆動腕の各々に第２方向のコリオリ力が作用し、これによって前記検出腕に第２方向の検出振動が生じ、前記検出振動によって発生する電界によって電荷が移動し、前記電荷の移動による電気信号が前記検出電極から取り出される、
   ことを特徴とするジャイロ素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のジャイロ素子であって、
   前記検出腕、前記第１駆動腕、および前記第２駆動腕は、同じ圧電材料で構成されることを特徴とするジャイロ素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のジャイロ素子であって、
   前記検出腕は、互いに表裏関係にある第１面および第２面と、前記第１面と前記第２面とを連結する第３面および第４面と、を備え、
   前記検出電極は、
   前記第１面に設けられる第１電極と、
   前記第２面に設けられ、前記第１電極に接続されている第２電極と、
   前記第３面に設けられ、前記第１電極および前記第２電極から電気的に独立している第３電極と、
   前記第４面に設けられ、前記第３電極に接続されている第４電極と、
   を備えることを特徴とするジャイロ素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のジャイロ素子であって、
   前記第１駆動腕および前記第２駆動腕の各々は、互いに表裏関係にある一対の主面を備え、
   前記第１駆動電極は、前記第１駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられた第１櫛歯電極であり、
   前記第２駆動電極は、前記第２駆動腕における前記一対の主面の少なくとも一方に設けられる第２櫛歯電極である、
   ことを特徴とするジャイロ素子。
6. 請求項５に記載のジャイロ素子であって、
   前記第１櫛歯電極および前記第２櫛歯電極の各々は、
   所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第１対向部分と、
   前記第１対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第２対向部分と、
   を備え、
   前記第１対向部分と第２対向部分は、前記駆動腕の延出方向である前記第１方向に沿って配置されており、かつ、前記所定距離をＬ１とし、前記第１対向部分と前記第２対向部分との間の距離をＬ２としたとき、Ｌ１＜Ｌ２が成立することを特徴とするジャイロ素子。
7. 請求項６に記載のジャイロ素子であって、
   前記第１櫛歯電極および前記第２櫛歯電極の各々は、
   前記第２対向部分に隣接して設けられ、かつ、前記所定距離だけ離れて互いに対向して配置される一対の電極からなる第３対向部分を、備え、
   前記第１対向部分、前記第２対向部分、前記第３対向部分の順に、前記基部からの距離が大きくなるものとし、かつ、前記第２対向部分と前記第３対向部分との間の距離をＬ３としたとき、Ｌ２＜Ｌ３が成立することを特徴とするジャイロ素子。
8. 基部と、
   前記基部から、所定面内で正の第１方向に延出する第１検出腕と、
   前記基部から、前記所定面内で、正の第１方向とは逆向きの負の第１方向に延出する第２検出腕と、
   前記第１検出腕の前記基部側の端部と反対側の端部に設けられた連結部から、前記所定面内で前記第１方向に交差する正の第２方向に延出する第１駆動腕と、
   前記第１検出腕の前記連結部から前記正の第２方向とは逆向きの負の第２方向に延出する第２駆動腕と、
   前記基部から、前記正の第２方向に延出する第３駆動腕と、
   前記基部から、前記負の第２方向に延出する第４駆動腕と、
   前記第２検出腕の前記基部側の端部と反対側の端部に設けられた連結部から前記正の第２方向に延出する第５駆動腕と、
   前記第２検出腕の前記連結部から前記負の第２方向に延出する第６駆動腕と、
   前記第１駆動腕に設けられる第１駆動電極と、
   前記第２駆動腕に設けられる第２駆動電極と、
   前記第３駆動腕に設けられる第３駆動電極と、
   前記第４駆動腕に設けられる第４駆動電極と、
   前記第５駆動腕に設けられる第５駆動電極と、
   前記第６駆動腕に設けられる第６駆動電極と、
   前記第１検出腕に設けられる第１検出電極と、
   前記第２検出腕に設けられる第２検出電極と、
   を含み、
   前記第１〜第６駆動腕は、前記第１〜第６駆動電極によってそれぞれ形成される電界による歪みによって、前記所定面に直交する第３方向に振動し、
   前記第１，第２，第５，第６駆動腕が正の第３方向に変位するときは、前記第３，第４駆動腕は負の第３方向に変位すると共に、前記第１，第２，第５，第６駆動腕が負の第３方向に変位するときは、前記第２駆動腕は正の第３方向に変位することを特徴とするジャイロ素子。
   むことを特徴とするジャイロ素子。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のジャイロ素子と、
   前記ジャイロ素子に接続された検出回路と、
   を含むことを特徴とするジャイロセンサー。
10. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のジャイロ素子を備えたことを特徴とする特徴とする電子機器。

Images