(57)【要約】【課題】  １つのアームに対する電極数が２本と少なく、駆動検出回路の規模や接続部周辺の占有面積を小さくでき、且つ、従来よりも高い検出感度を有する圧電振動ジャイロ用振動子及び角速度検出システムを提供すること。【解決手段】  屈曲振動するアーム５とこれを支持固定する基部７とを有する基板と、下部電極４と圧電膜３と上部電極２ａおよび２ｂとを備え、圧電膜３の成膜面に対し平行なＸ軸方向及び圧電膜３の成膜面に対し垂直なＺ軸方向の振動の駆動及び検出をそれぞれ可能とし、上部電極２ａおよび２ｂはアーム５の屈曲部に形成され、上部電極２ａをＸ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用し、上部電極２ｂをＺ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用する。ここで、上部電極２ａおよび２ｂのＸ軸方向の幅をそれぞれＡ及びＢとした場合、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．７を満たす値に設定されている。【選択図】図１
2011033593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈曲振動する少なくとも１つのアームと該アームを支持固定する基部とを有する基板と、該基板上に形成した下部電極と、該下部電極上に形成した圧電膜と、該圧電膜上に形成した上部電極とを備え、前記アームの長さ方向に垂直で前記圧電膜の成膜面に対し平行なＸ軸方向及び前記圧電膜の成膜面に対し垂直なＺ軸方向の振動の駆動及び検出をそれぞれ可能とした圧電振動ジャイロ用振動子であって、前記アームの前記屈曲振動における屈曲部分に２つの上部電極を形成し、該上部電極の一方をＸ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用し、他方をＺ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用し、前記２つの上部電極のＸ軸方向の幅をそれぞれＡ及びＢとした場合、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．９であることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子。
【請求項２】
０．３≦Ａ／Ｂ≦０．７であることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
【請求項３】
屈曲運動する少なくとも一つのアームと該アームを支持固定する基部よりなる基板と、該基板上に形成した下部電極と、該下部電極上に形成した圧電膜と、該圧電膜上に形成した前記アームの長さ方向に垂直で前記圧電膜の成膜面に対して平行なＸ軸方向に沿った幅が互いに異なる２つの上部電極とにより構成した圧電ジャイロ用振動子を用い、前記下部電極を接地電位に接続し、前記２つの上部電極のうち、前記Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極へ時間変動する電圧を印加することにより前記アームを前記Ｘ軸に駆動し、前記Ｘ軸とアームの長さ方向に沿ったＹ軸の周りに角速度が加わった際には、コリオリ力により前記圧電膜の成膜面に対し垂直なＺ軸方向に誘起される振動を前記２つの上部電極のうち、Ｘ軸方向の幅が広い上部電極により検出することを特徴とする角速度検出システム。
【請求項４】
屈曲運動する少なくとも一つのアームと該アームを支持固定する基部よりなる基板と、該基板上に形成した下部電極と、該下部電極上に形成した圧電膜と、該圧電膜上に形成した前記アームの長さ方向に垂直で前記圧電膜の成膜面に対して平行なＸ軸方向に沿った幅が互いに異なる２つの上部電極とにより構成した圧電ジャイロ用振動子を用い、前記下部電極を接地電位に接続し、前記２つの上部電極のうち、前記Ｘ軸方向の幅が広い上部電極へ時間変動する電圧を印加することにより前記アームを前記圧電膜の成膜面に対し垂直なＺ軸方向に駆動し、前記Ｘ軸とアームの長さ方向に沿ったＹ軸の周りに角速度が加わった際には、コリオリ力により前記Ｘ軸方向に誘起される振動を前記２つの上部電極のうち、Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極により検出することを特徴とする角速度検出システム。
【請求項５】
前記Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極幅をＡ、前記Ｘ軸方向の幅が広い上部電極幅をＢとして、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．９となることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の角速度検出システム。
【請求項６】
前記Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極幅をＡ、前記Ｘ軸方向の幅が広い上部電極幅をＢとして、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．７となることを特徴とする請求項５記載の角速度検出システム。
【請求項７】
前記アームの前記Ｘ軸方向と前記Ｚ軸方向の共振周波数が異なることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の角速度検出システム。
【請求項８】
前記２つの上部電極のうち、前記Ｘ軸方向の幅が広い上部電極から得られる電荷を検出し、検出された前記電荷より自動利得制御した電圧出力を前記Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極に印加することで前記アームを前記Ｘ軸方向に駆動させることを特徴とする請求項３記載の角速度検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム等に用いるジャイロセンサに関し、特にこれらのジャイロセンサに用いられる圧電振動ジャイロ用振動子及び角速度検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料は電気−機械変換効率が高く、小型で高感度なセンサを実現できることから、様々なセンサに利用されている。近年では、厚さ数μｍの圧電膜を大面積の基板上に再現性良く成膜する技術や圧電膜を微細に加工する技術も確立され、ますます超小型なセンサが量産性良く製造できるようになってきた。
【０００３】
圧電振動ジャイロにおいても、シリコン基板上に成膜した圧電膜を微細加工し、超小型で高感度な圧電振動ジャイロ用振動子（以下振動子と称する）が製造できるようになっている。このように製造技術の面で振動子自体の小型化が可能になったことに伴い、振動子の小型化による検出感度の低下を補う工夫や、駆動検出回路の規模の縮小、回路部品と振動子の接続方法の工夫による小型化がより重要になってきている。例えば、特許文献１では、駆動検出回路における出力信号の加減算処理の工夫及び振動子を少ない電極数で構成することで、圧電振動ジャイロの小型化を実現している。
【０００４】
図１０は、上記の特許文献１に記載されている従来の圧電振動ジャイロ用振動子の斜視図及びその振動子に接続された駆動検出回路を示す図である。図１０において、振動子１０１は、２つのアーム１１０ａ、１１０ｂ及びこの２つのアームを連結する基部１１８を有する非圧電材料からなる音叉と、この音叉の主面に設けた上部電極１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａ及び圧電膜１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂ及び下部電極１１１ｃ、１１２ｃ、１１３ｃ、１１４ｃから構成されている。尚、アーム１１０ｂ上に設けられた上部電極１１３ａ、１１４ａ、及びアーム１１０ａ上に設けられた上部電極１１１ａ、１１２ａはそれぞれのアームの中心線を挟んで離間配置されている。
【０００５】
この駆動検出回路において、上部電極１１３ａ、１１４ａに発生した電荷は、カレントアンプ１４０ａ、１４０ｂによりそれぞれ増幅され、その増幅されたそれぞれの信号は２系統に分岐される。この一方を、差動増幅器１４１、振幅を制御するためのＡＧＣ回路１４３、増幅器１４４を経由して上部電極１１１ａに、さらに反転アンプ１４５を経由して上部電極１１２ａにそれぞれ供給し、駆動信号として用いる。また他方は、加算後、移相器１６５、同期検波回路１６６、ローパスフィルタ１６７を経由し、出力端子１６８から角速度信号として取り出す。なお、１４２は全波整流回路である。この構成により、１つのアームに対し電極数が２個と少ないながら、Ｘ軸方向の音叉振動とＹ軸周りの角速度によって生じるＺ軸方向の振動の大きさを検知可能として圧電振動ジャイロを実現している。このように１つのアームに対する電極数が少ないと、振動子のアーム部を小型化し易いばかりでなく、駆動検出回路におけるカレントアンプの数も少なく済み、また、振動子における信号の入出力に必要な電極配線や接続用パッド等の占有面積も少なく済むことから小型化に有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２４９６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来の特許文献１の振動子においては、駆動検出回路の規模や接続部周辺の占有面積も縮小されることから圧電振動ジャイロのある程度の小型化が図れる。しかし、さらに小型化を進めるために振動子のアーム部のさらなる小形化を図る場合、圧電効果を検知するための上部電極の面積も小さくせざるを得ず、検出感度の低下を招いてしまう。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、１つのアームに対する電極数が２本と少なく、駆動検出回路の規模や接続部周辺の占有面積を小さくでき、且つ、従来よりも高い検出感度を有する圧電振動ジャイロ用振動子及び角速度検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子は、屈曲振動する少なくとも１つのアームと該アームを支持固定する基部とを有する基板と、該基板上に形成した下部電極と、該下部電極上に形成した圧電膜と、該圧電膜上に形成した上部電極とを備え、前記アームの長さ方向に垂直で前記圧電膜の成膜面に対し平行なＸ軸方向及び前記圧電膜の成膜面に対し垂直なＺ軸方向の振動の駆動及び検出をそれぞれ可能とした圧電振動ジャイロ用振動子において、前記アームの前記屈曲振動における屈曲部分に２つの上部電極を形成し、該上部電極の一方をＸ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用し、他方をＺ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用し、前記２つの上部電極のＸ軸方向の幅をそれぞれＡ及びＢとした場合、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．９であることを特徴とする。また、本発明においては、さらに、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．７であることが望ましい。
【００１０】
また、本発明の角速度検出システムは、屈曲運動する少なくとも一つのアームと該アームを支持固定する基部よりなる基板と、該基板上に形成した下部電極と、該下部電極上に形成した圧電膜と、該圧電膜上に形成した前記アームの長さ方向に垂直で前記圧電膜の成膜面に対して平行なＸ軸方向に沿った幅が互いに異なる２つの上部電極とにより構成した圧電ジャイロ用振動子を用い、前記下部電極を接地電位に接続し、前記２つの上部電極のうち、前記Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極へ時間変動する電圧を印加することにより前記アームを前記Ｘ軸に駆動し、前記Ｘ軸とアームの長さ方向に沿ったＹ軸の周りに角速度が加わった際には、コリオリ力により前記圧電膜の成膜面に対し垂直なＺ軸方向に誘起される振動を前記２つの上部電極のうち、Ｘ軸方向の幅が広い上部電極により検出することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の角速度検出システムは、屈曲運動する少なくとも一つのアームと該アームを支持固定する基部よりなる基板と、該基板上に形成した下部電極と、該下部電極上に形成した圧電膜と、該圧電膜上に形成した前記アームの長さ方向に垂直で前記圧電膜の成膜面に対して平行なＸ軸方向に沿った幅が互いに異なる２つの上部電極とにより構成した圧電ジャイロ用振動子を用い、前記下部電極を接地電位に接続し、前記２つの上部電極のうち、前記Ｘ軸方向の幅が広い上部電極へ時間変動する電圧を印加することにより前記アームを前記圧電膜の成膜面に対し垂直なＺ軸方向に駆動し、前記Ｘ軸とアームの長さ方向に沿ったＹ軸の周りに角速度が加わった際には、コリオリ力により前記Ｘ軸方向に誘起される振動を前記２つの上部電極のうち、Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極により検出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極幅をＡ、前記Ｘ軸方向の幅が広い上部電極幅をＢとして、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．９となることを特徴とする上記の角速度検出システムである。
【００１３】
また、本発明は、前記Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極幅をＡ、前記Ｘ軸方向の幅が広い上部電極幅をＢとして、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．７となることを特徴とする上記の角速度検出システムである。
【００１４】
また、本発明は、前記アームの前記Ｘ軸方向と前記Ｚ軸方向の共振周波数が異なることを特徴とする上記の角速度検出システムである。
【００１５】
また、本発明は、前記２つの上部電極のうち、前記Ｘ軸方向の幅が広い上部電極から得られる電荷を検出し、検出された前記電荷より自動利得制御した電圧出力を前記Ｘ軸方向の幅が狭い上部電極に印加することで前記アームを前記Ｘ軸方向に駆動させることを特徴とする上記の角速度検出システムである。
【発明の効果】
【００１６】
圧電振動ジャイロの検出感度は、振動子の駆動効率と検出効率の積に比例する。従って、駆動効率及び検出効率の両方を高めるためには、駆動用および検出用各々の上部電極の配置が重要になる。しかしながら、振動子の駆動振動時と検出振動時の屈曲部がほぼ同一の箇所にある場合、一方の上部電極の面積を大きくすると、他方の上部電極の面積を小さくせざるを得ないため、従来技術では、１つのアーム上に２つの上部電極を配置する場合、特許文献１のように、駆動用と検出用のそれぞれの上部電極の電極幅を１：１の割合で配置することが常であった。
【００１７】
これに対し、本発明は、圧電膜の成膜面に対し平行なＸ軸方向の振動によって発生する電荷分布とＺ軸方向の振動によって発生する電荷分布の違いを考慮し、Ｘ軸方向の駆動振動もしくは検出振動の効率よりも、Ｚ軸方向の駆動振動もしくは検出振動の効率を高めた方が結果として検出感度が高くなることに着目した新しい振動子の構造を提供するものである。本発明では、１つのアーム上に配置した２つの上部電極の電極幅の比を最適化することにより、１つのアームに対する電極数が２本と少ないながら、高い検出感度を得ることが可能となり、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子を用いることにより圧電振動ジャイロの更なる小型化を実現できる。
【００１８】
すなわち、本発明によれば、１つのアームに対する電極数が２本と少なく、駆動検出回路の規模や接続部周辺の占有面積を小さくでき、且つ、従来よりも高い検出感度を有する圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の第一の実施の形態である振動子の斜視図。
【図２】図１の第一の実施の形態の振動子のＤ−Ｄ断面図と、圧電振動ジャイロを構成するために振動子に接続される駆動検出回路を示す図。
【図３】屈曲振動時に圧電膜の表面に発生する電荷の分布とアームの断面を示す図。図３（ａ）は、Ｘ軸方向の屈曲振動時に圧電膜の表面に発生する電荷の分布とアームの断面を示す図。図３（ｂ）は、Ｚ軸方向の屈曲振動時に圧電膜の表面に発生する電荷の分布とアームの断面を示す図。
【図４】２つの上部電極の幅の比率Ａ／Ｂに対する相対的な検出感度を示す図。図４（ａ）は、間隔Ｃの幅Ｗに対する割合を０．０１とした場合を示す図。図４（ｂ）は、間隔Ｃの幅Ｗに対する割合を０．１とした場合を示す図。
【図５】本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の第二の実施の形態の振動子の斜視図。
【図６】図５の第二の実施の形態の振動子のＥ−Ｅ断面図と、圧電振動ジャイロを構成するために振動子に接続される駆動検出回路を示す図。
【図７】本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の第三の実施の形態の振動子のアーム部分の断面図。
【図８】本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の第四の実施の形態の振動子の斜視図。
【図９】図８の第四の実施の形態の振動子のＦ−Ｆ断面図と、圧電振動ジャイロを構成するために振動子に接続される駆動検出回路を示す図。
【図１０】従来の圧電振動ジャイロ用振動子の斜視図及びその振動子に接続された駆動検出回路を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の第一の実施の形態である振動子の斜視図である。図１に示すように、振動子１は、屈曲振動するアーム５とアーム５を支持固定する基部７とを有する基板と、該基板上に形成した下部電極４と下部電極４上に形成した圧電膜３と圧電膜３上に形成した上部電極２ａおよび２ｂとを備え、アーム５の長さ方向に垂直で圧電膜３の成膜面に対し平行なＸ軸方向及び圧電膜３の成膜面に対し垂直なＺ軸方向の振動の駆動及び検出をそれぞれ可能とした圧電振動ジャイロ用振動子である。また、上部電極２ａおよび２ｂはアーム５の屈曲振動における屈曲部上に形成され、これらの上部電極の一方をＸ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用し、他方をＺ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用する。ここで、上部電極２ａおよび２ｂのＸ軸方向の幅をそれぞれＡ及びＢとした場合、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．７を満たす値に設定されている。
【００２２】
振動子１は基部７のみを支持固定することで、アーム５をＸ軸方向及びＺ軸方向に屈曲振動可能な構成にしている。また、本発明では、それぞれの軸方向の屈曲振動を独立して駆動できるように、各々の屈曲振動の共振周波数を離す必要がある。この状態で、下部電極４と上部電極２ａとの間にＸ軸方向の共振周波数とほぼ一致させた周波数の交流電圧を印加すると、アーム５をＸ軸方向に屈曲振動させることができる。但し、厳密にはＺ軸方向にも屈曲振動してしまうが、前述のように、各々の共振周波数を離しているため、Ｚ軸方向の屈曲振動はＸ軸方向に対し問題無いレベルまで小さく抑えることができる。同様に、下部電極４と上部電極２ｂとの間にＺ軸方向の共振周波数とほぼ一致させた周波数の交流電圧を印加すると、アーム５をＺ軸方向に屈曲振動させることができる。
【００２３】
図２は図１の第一の実施の形態の振動子のＤ−Ｄ断面図と、圧電振動ジャイロを構成するために振動子に接続される駆動検出回路を示す図である。図２において、先ず、下部電極４は安定した基準電位やグランド電位に接続する。上部電極２ｂから得られる電荷をカレントアンプ１１で電圧に変換し、駆動振動の振幅を一定に保つためのＡＧＣ回路１５を経由させ、上部電極２ａに入力させることで、Ｘ軸方向にアーム５を共振周波数で屈曲振動させる。また、上部電極２ｂから得られる電荷をカレントアンプ１１で電圧に変換し、増幅器１２及び同期検波回路１３、ローパスフィルタ１４を経由させ、出力端子１６に接続する。同期検波はＡＧＣ回路１５で得られる信号の位相をおおよそ９０°ずらしたタイミングで行うものとする。Ｚ軸方向の屈曲振動の共振周波数は、自励発振させている周波数から離しているため、自励発振周波数でＺ軸方向の屈曲振動が生じた場合に上部電極２ｂに発生する電荷の位相は、Ｘ軸方向の屈曲振動で上部電極２ｂに発生する電荷の位相と異なってくる。そのため同期検波後の出力は、Ｘ軸方向の屈曲振動で上部電極２ｂに発生する電荷の成分は除去され、Ｚ軸方向の屈曲振動が生じた場合に上部電極２ｂに発生する電荷成分のみを出力端子１６に出力させることができる。
【００２４】
即ち、図２に示す駆動検出回路により、振動子１をＸ軸方向に駆動振動させ、コリオリ力によって発生するＺ軸方向の屈曲振動の大きさを検出し、この値からＹ軸周りの角速度の大きさを知ることが可能となる。本実施の形態の振動子１により、１つのアームに対する電極数が２本と少なく、駆動検出回路の規模や接続部周辺の占有面積を小さくできることから、小型の圧電振動ジャイロが得られる。
【００２５】
次に、本実施の形態の振動子１の検出感度について説明する。圧電振動ジャイロの検出感度は、振動子の駆動効率と検出効率の積に比例する。それぞれの効率について検討する。
【００２６】
図３（ａ）は、Ｘ軸方向の屈曲振動時に圧電膜の表面に発生する電荷の分布とアームの断面を示す図であり、電荷の分布は有限要素法により算出した結果を示す。アーム５の断面図において、Ｘ軸方向のアーム全体の幅をＷとし、上部電極２ａの幅をＡとし、上部電極２ｂの幅をＢとする。上部電極間の間隔Ｃは振動子の加工プロセス上の制約により決定されるもので、ここではアーム端と各上部電極間の間隔もＣとする。電荷分布図の横軸は、振動子の全体の幅に対応しており、縦軸は圧電膜表面の発生電荷量を示す。尚、発生電荷量は相対値として示している。図３（ａ）からわかるように、振動子の幅に対し中央部は発生電荷量が少なく、振動子の両端部では発生電荷量の極性は異なり、それぞれ端部に近づく程発生電荷量が大きくなる。従って、端部から間隔Ｃをもって幅Ａの上部電極２ａを配置した場合に、その上部電極から得られる発生電荷量は、図中斜線部の面積ＳＡに比例する。
【００２７】
一方、図３（ｂ）は、Ｚ軸方向の屈曲振動時に圧電膜の表面に発生する電荷の分布とアームの断面を示す図である。この場合には、端部がやや発生電荷が少なくなる傾斜はあるが、幅方向に対しほぼ一定の発生電荷量が圧電膜表面から得られる。従って、他方の端部から間隔Ｃをもって幅Ｂの上部電極２ｂを配置した場合に、その上部電極２ｂから得られる発生電荷量は、図中斜線部の面積ＳＢに比例する。
【００２８】
図４（ａ）は、２つの上部電極の幅の比率Ａ／Ｂに対する面積ＳＡと面積ＳＢの積の値、すなわち相対的な検出感度を示す図であり、間隔Ｃの幅Ｗに対する割合を０．０１とした場合を示す図である。この間隔Ｃは、例えばアームの全幅Ｗが２００μｍの場合にはＣは２μｍを意味する。横軸にＡ／Ｂを、縦軸には図３（ａ）の分布の近似曲線ｙ＝−０．０３０６ｘ＋１．５３２２及び図３（ｂ）の分布の近似曲線ｙ＝−０．０００１ｘ２＋０．０１０１ｘ＋２．１３０７をそれぞれ用いて算出した面積ＳＡと面積ＳＢの積を示したものである。面積ＳＡと面積ＳＢの積は、Ｘ軸方向の屈曲振動効率とＺ軸方向の屈曲振動効率の積であるため、圧電振動ジャイロの検出感度に比例する。図４（ａ）から電極幅の比率Ａ／Ｂの値が１．０よりも０．５の方が面積ＳＡと面積ＳＢの積即ち検出感度が約２０％程度高くなることがわかる。電極幅の比率Ａ／Ｂの値が０．３〜０．９の範囲でその比が１．０の従来構造の場合よりも効率の改善が得られ、０．３〜０．７の範囲ではさらに明瞭な改善の効果が得られる。尚、図１０に示す従来技術では、２つのアームの内、一方のアーム上の２つの上部電極をＸ軸方向の屈曲振動に他方のアーム上の２つの上部電極をＺ軸方向の屈曲振動に利用しているが、１つのアーム内の２つの上部電極をそれぞれＸ軸方向の屈曲振動とＺ軸方向の屈曲振動に利用することと効率的には同じことであり、従来技術は図４（ａ）における電極幅の比率Ａ／Ｂの値が１．０の場合を意味する。
【００２９】
図４（ｂ）は間隔Ｃの幅Ｗに対する割合を０．１とした場合を示す図である。図４（ａ）と同様に電極幅の比率Ａ／Ｂの値が１．０よりも０．５の方が検出感度が高くなり、その比率が０．３〜０．７の範囲で大きく改善されていることがわかる。
【００３０】
ここで、屈曲振動の効率については、例えば使用する圧電材料の配向性の制御等によっても向上できるが、このような方法によって１０％程度以上向上させるためには技術的に大変な労力が必要とされているのが現状である。従って、本発明により１つのアームに形成される電極幅の比率Ａ／Ｂを変えることにより検出感度が１０〜２０％程度高くなることは、圧電振動ジャイロの小型化にとって非常に有利と言える。
【００３１】
尚、本発明の振動子は、圧電膜の成膜面に対し平行なＸ軸方向の振動の駆動もしくは検出を細い方の上部電極２ａで扱い、圧電膜の成膜面に対し垂直なＺ軸方向の振動の駆動もしくは検出を太い方の上部電極２ｂで扱うことが重要であり、駆動振動としてＸ軸、Ｚ軸のどちらの方向を選択しても、同様の効果が得られる。例えば、図２において、振動子の上部電極２ａ及び２ｂと駆動検出回路の結線を入れ替えて、振動子をＺ軸方向に駆動振動させ、Ｘ軸方向の屈曲振動の大きさからＹ軸周りの角速度の大きさを知ることも可能であり、この場合にも同様な効果が得られる。
【００３２】
図５は本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の第二の実施の形態である振動子の斜視図である。図５に示すように、振動子５１の外形は音叉形状であり、屈曲振動する２つのアーム５５とアーム５５を支持固定する基部５７とを有する基板と、該基板上に形成した下部電極５４と下部電極５４上に形成した圧電膜５３と圧電膜５３上に形成した上部電極５２ａ、５２ｂと５２ｃ、５２ｄを備え、アーム５５の長さ方向に垂直で圧電膜５３の成膜面に対し平行なＸ軸方向及び圧電膜５３の成膜面に対し垂直なＺ軸方向の振動の駆動及び検出をそれぞれ可能とした圧電振動ジャイロ用振動子である。また、アーム５５の一方の屈曲振動における屈曲部に上部電極５２ａおよび５２ｂが形成され、アーム５５の他方の屈曲振動における屈曲部に上部電極５２ｃおよび５２ｄが形成され、上部電極５２ａ、５２ｄをＸ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用し、上部電極５２ｂ、５２ｃをＺ軸方向の振動の駆動もしくは検出に使用する。ここで、上部電極５２ａおよび５２ｂのＸ軸方向の幅をそれぞれＡ及びＢとした場合、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．７を満たす値に設定され、また、上部電極５２ｄおよび５２ｃのＸ軸方向の幅をそれぞれＡ及びＢとした場合、０．３≦Ａ／Ｂ≦０．７を満たす値に設定されている。
【００３３】
ここで、上記Ｘ軸方向の上部電極の幅は、音叉の内側の上部電極５２ｂ、５２ｃが外側の上部電極５２ａ、５２ｄより約２倍の幅を有するように配置する、すなわちＡ／Ｂ＝０．５となるようにすることが望ましい。更に、２つのアーム５５と一体的に構成される基部５７には、上部電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄを延長させてなる配線５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄを形成し、図示しないが、配線５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄに回路と接続するための接続パッドを形成する。尚、本実施の形態の振動子５１のそれぞれのアーム部分の詳細な構造の一例としては上記の実施例と同様な構造にすることが可能であり、また製造プロセスも上記の実施例とほぼ同様な方法で実現することができる。
【００３４】
本実施の形態のように振動子を音叉構造とした場合、圧電膜の成膜面に対し平行なＸ軸方向の屈曲振動である音叉振動において、振動エネルギーを振動子内部に閉じ込め易いため、基部５７を支持固定する際に特段の工夫をしないでも、高いＱｍを得やすいという特徴がある。このため、この振動を駆動振動に選択した場合、第一の実施の形態の振動子１よりも容易に安定な自励発振が可能となる。
【００３５】
図６は、図５の第二の実施の形態の振動子のＥ−Ｅ断面図と、圧電振動ジャイロを構成するために振動子に接続される駆動検出回路を示す図である。図６に示すように、先ず、下部電極５４は安定した基準電位やグランド電位に接続する。次に、上部電極５２ｂ及び５２ｃから得られる電荷をそれぞれカレントアンプ６１ａ及び６１ｂで電圧に変換し、加算処理した後、駆動振動の振幅を一定に保つためのＡＧＣ回路６５を経由させ、上部電極５２ａ及び５２ｄに入力させることで、圧電膜５３の成膜面に対し平行なＸ軸方向に２つのアーム５５が開いたり閉じたりする振動モードの共振周波数で屈曲振動させる。また、上部電極５２ｂ、５２ｃから得られる電荷をカレントアンプ６１ａ及び６１ｂでそれぞれ電圧に変換し、差動増幅器６２及び同期検波回路６３、ローパスフィルタ６４を経由させ出力端子６６に接続する。同期検波はＡＧＣ回路６５で得られる信号に対し所望の位相をずらしたタイミングで行うものとする。Ｙ軸周りに角速度が印加された際にコリオリ力の作用により２つのアームがＺ軸方向に逆位相で屈曲振動するため、上部電極５２ｂ及び５２ｃから得られる電荷は逆位相となる。そのため、差動増幅器６２後の出力は、Ｘ軸方向の音叉振動で上部電極５２ｂ及び５２ｃに発生する電荷の成分は除去され、コリオリ力の作用により発生した電荷成分のみを出力端子６６に出力させることができる。
【００３６】
即ち、図６に示す駆動検出回路により、振動子５１をＸ軸方向に駆動振動させ、コリオリ力によって発生するＺ軸方向の屈曲振動の大きさからＹ軸周りの角速度の大きさを知ることが可能となる。本実施の形態の振動子５１により、１つのアームに対する電極数が２本と少なく、駆動検出回路の規模や接続部周辺の占有面積を小さくできることから、小型で且つ検出感度が高い圧電振動ジャイロを得ることができる。
【００３７】
図７は、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の第三の実施の形態の振動子のアーム部分の断面図である。図７に示すように、第二の実施の形態の振動子５１と同様に、本実施の形態の振動子の外形は音叉形状であり、上部電極の構成以外は第二の実施の形態の振動子５１と同じ構造である。本実施の形態においては２つのアーム７５を有し、アームの主面に下部電極７４、圧電膜７３を形成する。また、一方のアームに上部電極７２ａ、７２ｂを、他方のアームには上部電極７２ｃ、７２ｄを形成する。本実施の形態においては、振動子５１と異なり、音叉の内側の上部電極７２ｂ、７２ｃは、外側の上部電極７２ａ、７２ｄより約３倍の幅を有している。本実施の形態の振動子においても、図６と同一の駆動検出回路を用いて圧電振動ジャイロを構成できる。この場合の結線は、上部電極７２ａ、７２ｄをカレントアンプ６１ａ及び６１ｂの入力に結線し、上部電極７２ｂ、７２ｃは、ＡＧＣ回路６５の出力に結線することで、図６により構成される圧電振動ジャイロと同一の機能を持たせることができる。１つのアームに対する電極数が２本と少なく、駆動検出回路の規模や接続部周辺の占有面積を小さくでき、且つ、検出感度が高い圧電振動ジャイロが得られる。
【００３８】
図８は、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の第四の実施の形態の振動子の斜視図である。図８に示すように、外形は異形の音叉形状であり、２つのアーム８５を有し、それぞれのアームの先端にはそれぞれ逆向きの付加質量８８ａ及び８８ｂを設ける。アームの主面に下部電極８４、圧電膜８３を形成する。また、一方のアームに上部電極８２ａ、８２ｂを、他方のアームには上部電極８２ｃ、８２ｄを形成する。尚、音叉の内側の上部電極８２ｂ、８２ｃは、外側の上部電極８２ａ、８２ｄより約２倍の幅寸法を有するように配置する。更に、２つのアーム８５と一体的に構成される基部８７には、上部電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを延長させてなる配線８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄを形成し、図示しないが、配線８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄと回路とを接続するための接続パッドを形成する。本実施の形態の振動子８１はアーム８５の先端に設けられた付加質量８８ａ及び８８ｂ以外の部分は第二の実施の形態の振動子５１と同様である。圧電膜や下部電極、上部電極などの詳細な構造及びその製造方法の具体例についても、上記の実施例と同様な構造及び製造方法が可能である。
【００３９】
振動子を本実施の形態のような異形の音叉構造とすることで、開いたり閉じたりする音叉振動は、圧電膜の成膜面に対し平行なＸ軸方向及びＹ軸方向の両方に振動振幅を有することとなる。この音叉振動を駆動振動に選択した場合、Ｘ軸及びＹ軸周りの角速度を検出することが可能となる。
【００４０】
図９は、図８の第四の実施の形態の振動子のＦ−Ｆ断面図と、圧電振動ジャイロを構成するために振動子に接続される駆動検出回路を示す図である。図９に示すように、先ず、下部電極８４は安定した基準電位やグランド電位に接続する。次に、上部電極８２ｂ及び８２ｃから得られる電荷をそれぞれカレントアンプ６１ａ及び６１ｂで電圧に変換し、加算処理した後、駆動振動の振幅を一定に保つためのＡＧＣ回路６５を経由させ、上部電極８２ａ及び８２ｄに入力させることで、圧電膜の成膜面に対し平行なＸ軸方向及びＹ軸方向に２つのアーム８５が開いたり閉じたりする振動モードの共振周波数で屈曲振動させる。また、上部電極８２ｂ、８２ｃから得られる電荷をカレントアンプ６１ａ及び６１ｂでそれぞれ電圧に変換し、差動増幅器９２及び同期検波回路９３ａ、ローパスフィルタ９４ａを経由させ出力端子９６ａに接続する。同期検波はＡＧＣ回路６５で得られる信号に対し所望の位相をずらしたタイミングで行うものとする。Ｙ軸周りに角速度が印加された際にコリオリ力の作用により２つのアームがＺ軸方向に逆位相で屈曲振動するため、上部電極８２ｂ及び８２ｃから得られる電荷は逆位相となり、そのため差動増幅器９２後の出力は、Ｘ軸方向の音叉振動で上部電極８２ｂ及び８２ｃに発生する電荷の成分は除去され、Ｙ軸周りに角速度を印加した際のコリオリ力の作用により発生した電荷成分のみを出力端子９６ａに出力させることができる。
【００４１】
また、上部電極８２ｂ、８２ｃから得られる電荷をカレントアンプ６１ａ及び６１ｂでそれぞれ電圧に変換し、加算増幅器９７及び同期検波回路９３ｂ、ローパスフィルタ９４ｂを経由させ出力端子９６ｂに接続する。同期検波９３ｂはＡＧＣ回路６５で得られる信号に対し凡そ９０°ずらしたタイミングで行うものとする。Ｘ軸周りの角速度が加わった際には、Ｙ軸方向の振動振幅に対しコリオリ力が発生し、２つのアームは互いに同位相でＺ方向に屈曲振動する。この屈曲振動の共振周波数は、自励発振させている周波数から離しておくため、自励発振周波数でＺ軸方向の屈曲振動が生じた場合に上部電極８２ｂ、８２ｃに発生する電荷の位相は、音叉の屈曲振動で上部電極８２ｂ、８２ｃに発生する電荷の位相と異なってくる。そのため同期検波９３ｂ後の出力は、音叉の屈曲振動で上部電極８２ｂ、８２ｃに発生する電荷の成分は除去され、２つのアームが互いに同位相でＺ方向に屈曲振動する成分だけを９６ｂに出力させることができる。
【００４２】
端子出力９６ａと９６ｂとは、各々減算処理と加算処理がなされているため、Ｙ軸周りとＸ軸周りの出力がクロストークされることも無く、２軸の角速度を良好に検出できる。すなわち、本実施の形態の振動子８１は２軸検出型の振動子である。本実施の形態の振動子においても、１つのアームに対する電極数が２本と少なく、駆動検出回路の規模や接続部周辺の占有面積を小さくでき、且つ、検出感度が高い圧電振動ジャイロを得ることができる。
【００４３】
本実施の形態の振動子においてはアームがＬ字形状の異形音叉としたが、２つのアームを平行ではなく斜めに配置することによっても同一の効果が得られることは言うまでもない。また、３つ以上のアームを有する振動子の構造においても、各アームに設置する２つの上部電極の幅の比を上記のような本発明の条件を満たす値とすることにより同様な効果が得られる。
【実施例】
【００４４】
次に、図１および図２に示した本実施の形態の振動子の具体的な実施例について、詳細に説明する。
【００４５】
以下には詳細な構造及び製造プロセスについて説明する。
【００４６】
まず、図１に示すようにアーム５及び基部７はＳｉ基板、下部電極４にはＴｉを下地としたＰｔ膜、圧電膜３にはＰＺＴ膜、上部電極２ａ及び２ｂにはＣｒを下地としたＡｕ膜を使用する。先ず、厚み６５０μｍの４インチφのＳｉ基板を用意し、別の基板に貼り合わせた後、Ｓｉ基板を１００μｍの厚さとなるまで研磨する。その後、Ｓｉ基板の研磨面に熱酸化によりＳｉＯ２膜を２μｍの厚さ形成し、その上に数十ｎｍ厚のＴｉ膜を形成しその上に３００ｎｍ厚のＰｔ膜をスパッタで成膜する。続いて２μｍ厚のＰＺＴ膜をスパッタで成膜した後、数十ｎｍ厚のＣｒ膜を形成しその上に４００ｎｍ厚のＡｕ膜をスパッタで成膜する。尚、ＰＺＴ成膜方法に関しては特にスパッタ法に限定されるものではなく、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、ＭＯＣＶＤ法、エアロゾル堆積法等でも構わない。電極膜の成膜方法についても、蒸着法等でも構わない。
【００４７】
成膜後は、レジスト塗布、露光、現像する一般的なフォトリソグラフィー技術を用い、レジスト膜を所望のパターンに形成した。露光の際に使用するマスクのパターンは、４インチ基板に数百個の振動子を配置させ、所望のレジストパターンに合うマスクを用意する必要がある。レジストパターン形成後は、エッチング加工で不要部を除去した後、レジストを除去、洗浄する工程を各層ごとに繰り返し行うことで所望のパターンに加工する。アーム５の幅は９９μｍとし長さは２ｍｍとした。上部電極２ａはアーム５の一方の端部から３μｍ離し、Ｘ軸方向の幅３０μｍとした。また、上部電極２ｂはアーム５の他方の端部から３μｍ離し、Ｘ軸方向の幅６０μｍとした。すなわち、本実施例ではＡ／Ｂ＝０．５とした。尚、エッチング方法は、上部電極をウェットエッチングで加工し、Ｓｉ基板、ＳｉＯ２膜、ＰＺＴ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜をドライエッチングで加工した。
【００４８】
これらの加工方法についても、成膜、フォトリソグラフィー、エッチングの順に行う方法に限定されるものではなく、例えば、上部電極等をフォトリソグラフィー、成膜、リフトオフの順で所望のパターンに加工する方法であっても構わないし、上部電極をドライエッチングで加工する方法や、圧電膜をウェットエッチングで加工する方法であっても構わない。
【００４９】
その後、ダイシング加工を経て、貼り合わせていた基板から取り外し、振動子を個片化する。
【００５０】
また、基部７上にはアーム５上の上部電極２ａ及び２ｂをそれぞれ延長させてなる配線６ａ、６ｂを備え、さらに、図示していないが、配線６ａ、６ｂにはそれぞれ回路との接続用の接続パッドが形成される。尚、静電容量を抑えるため、配線６ａ、６ｂは線幅を細くする方が好ましい。
【００５１】
更に、接続パッドを使用して上部電極２ａと上部電極２ｂを短絡させて１端子とし、この端子と下部電極との間に１０Ｖの電圧を印加することでＰＺＴ膜を分極処理した。なお、ＰＺＴ膜が配向している場合、必ずしも分極処理は必要としない。また、分極の向きに関しても限定されるものでない。分極処理後、接続パッドと駆動検出回路とをワイヤーボンディングにて図２に示す結線で接続する。
【００５２】
以上の製造プロセスにより、Ｘ軸方向の１次の屈曲振動の共振周波数が約２９ｋＨｚを有する圧電振動ジャイロ用振動子が得られ、小型で高い感度を有する圧電振動ジャイロを実現することが可能となった。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、本発明は、上記の実施の形態や実施例に限られるものではないことはいうまでもなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更が可能である。すなわち、当業者であれば、当然なし得るであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１、５１、８１、１０１    振動子
２ａ、２ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ、１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａ    上部電極
３、５３、８３、１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂ    圧電膜
４、５４、８４、１１１ｃ、１１２ｃ、１１３ｃ、１１４ｃ    下部電極
５、５５、７５、８５、１１０ａ、１１０ｂ    アーム
７、５７、８７、１１８    基部
６ａ、６ｂ、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄ    配線
１１、６１ａ、６１ｂ、１４０ａ、１４０ｂ    カレントアンプ
１２、１４４    増幅器
１３、６３、９３ａ、９３ｂ、１６６    同期検波回路
１４、６４、９４ａ、９４ｂ、１６７    ローパスフィルタ
１５、６５、１４３    ＡＧＣ回路
１６、６６、９６ａ、９６ｂ、１６８    端子
６２、９２、１４１    差動増幅器
８８ａ、８８ｂ    付加質量
９７    加算増幅器
１４２    全波整流回路
１４５    反転アンプ
１６５    移相器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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