(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに並行する第１の梁部と第２の梁部とを両端で剛接した構成の複数の複合梁と、
前記第１の梁部が外周側に位置し、前記第２の梁部が内周側に位置するように、前記複合梁を端部同士で剛接させて矩形環状に繋いだ矩形環状部を備え、
各前記複合梁は、前記矩形環状部の環状中心を通る軸に対して直交する面上に、前記第１の梁部と前記第２の梁部とが位置する構成であり、
前記複数の複合梁のうちの一部の複合梁において前記第１の梁部と前記第２の梁部とに設けた駆動電極と、
前記複数の複合梁のうちの前記駆動電極が設けられていない複合梁において前記第１の梁部と前記第２の梁部とに設けた検出電極と、を備えた、振動子。
【請求項２】
連結梁部と中央連結部とにより構成されている連結部を備え、
前記連結梁部は、一方の端部が前記第２の梁部に剛接され、他方の端部が前記中央連結部に剛接されており、
前記中央連結部は、振動子の中心に設けられている、請求項１に記載の振動子。
【請求項３】
前記中央連結部に剛接されている錘部を備える、請求項２に記載の振動子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の振動子と、
前記振動子を駆動して第１の面内振動モードの振動を前記振動子に励起させる駆動部と、
前記第１の面内振動モードで振動する前記振動子に、振動方向に直交する回転軸回りの角速度によって前記振動子に作用するコリオリの力により励起する第２の面内振動モードの振動を検出する検出部と、を備える、振動ジャイロ。
【請求項５】
前記振動子は、シリコン基板からなり、
前記駆動部および前記検出部は、圧電膜と、グランド電極と、前記駆動電極または前記検出電極とを備える、請求項４に記載の振動ジャイロ。
【請求項６】
前記圧電膜と、前記グランド電極と、前記駆動電極と、前記検出電極とは、前記振動子の一方の面のみに形成されている、請求項５に記載の振動ジャイロ。
【請求項７】
前記駆動部および前記検出部は、浮き電極を備え、
前記駆動電極または前記検出電極とは、前記圧電膜を介して前記浮き電極に対向するように形成されている、請求項６に記載の振動ジャイロ。
【請求項８】
前記駆動電極は、前記圧電膜を介して前記グランド電極に対向するように形成されている第１の駆動電極と、前記圧電膜を介して前記グランド電極に対向するように形成されており、前記第１の駆動電極と隣接して形成されている第２の駆動電極とを有する、請求項６に記載の振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動面で面内振動する振動モードを有する振動子と、振動面に対して垂直な回転軸回りで振動子に作用する角速度を検出する振動ジャイロとに関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度を検出する振動ジャイロは、回転軸に直交する駆動軸に沿って振動する第1の振動モード（駆動振動モード）と、回転軸および駆動軸に直交する検出軸に沿って振動する第２の振動モード（検出振動モード）と、を有する振動子を備えている。駆動振動モードで振動する振動子が回転軸回りに回転すると、振動子には検出軸に沿ったコリオリの力が作用する。このコリオリの力が作用すると、振動子は検出振動モードで振動する。検出振動モードの振動振幅は、コリオリの力や回転運動の角速度に応じたものになる。このため、検出振動モードの振動振幅を検出することで、回転運動の角速度を検出することができる。
【０００３】
振動ジャイロに利用される振動子の構造は、さまざまである（例えば特許文献１〜３参照。）。ある種の振動子は、回転軸に直交する面内で環状に構成される（特に特許文献１参照。）。
【０００４】
図１（Ａ）は、従来の環状の振動子を備える振動ジャイロ１０１の平面図（Ｘ−Ｙ面平面図）である。振動ジャイロ１０１は、開口を設けた矩形平板形状であり、枠部１０２と、支持梁１０３と、連結梁１０４と、振動子１０５とを備えている。枠部１０２は、振動ジャイロ１０１の外周部を構成する矩形枠状の部位である。支持梁１０３は、枠部１０２の四辺それぞれの中央部に設けられていて、枠部１０２の各辺に並行し、両端で枠部１０２に連結されている。連結梁１０４は、各支持梁１０３の中央に直交して連結されている。振動子１０５は、円環状の部位であり、連結梁１０４に四点で支持されている。
【０００５】
図１（Ｂ）は、振動子１０５の駆動振動モードにおける変形について説明する模式図である。振動子１０５は、Ｘ軸とＹ軸とのそれぞれに沿って互いに逆の位相で伸縮するように駆動される。図１（Ｃ）は、振動子１０５にコリオリの力が作用した状態である検出振動モードにおける変形について説明する模式図である。振動子１０５は、駆動による振動とコリオリの力による振動とが互いに直交する方向に励起することになる。そのため、コリオリの力が作用すると、振動子１０５は、Ｘ軸およびＹ軸から傾いた方向に沿って伸縮することになる。したがって、この振動子１０５では、作用するコリオリの力の大きさに応じて、ノード点（節）やアンチノード点（腹）の位置が変化（回転）することになる。
【０００６】
このように、振動子１０５におけるノード点やアンチノード点の位置はコリオリの力の大きさによって変化し、振動子１０５自体には固定されたノード点が存在しない。そのため、振動子１０５は、各点の変位が拘束されないように支持梁１０３や連結梁１０４によって支持される必要がある。
【０００７】
また、一般に、振動ジャイロでは、角速度の検出感度が高いことが望まれている。角速度の検出感度は、振動子に作用するコリオリの力の最大値と、コリオリの力１Ｎ（ニュートン）当たりに出力される検出電圧（以下、検出効率と称する。）との積に比例する値として表すことができる。コリオリの力の最大値は、振動子の質量と、駆動振動モードでの振動子の変位の最大速度と、振動子に作用する角速度との積として表すことができる。したがって、角速度の検出感度は、検出効率と、振動子の質量と、駆動振動モードでの振動子の変位の最大速度との積に比例する値として表すことができる。
【０００８】
これらの検出効率や、振動子の質量、駆動振動モードでの振動子の最大速度などは、検出感度に対してだけでなく、振動子の厚み、幅寸法、剛性、共振モード及びその共振周波数に対しても相関を持つことになる。
【０００９】
近年、振動ジャイロの小型化が強く求められている。一般に、振動子を小型化すると共振周波数が高くなる。このため、小型化した振動子を有する振動ジャイロをデジタルカメラなどに搭載したとき、振動子の共振周波数と手ブレの周波数との差が大きくなってしまう。そのため、手ブレなどに対する感度が劣化してしまうことがある。
【００１０】
そこで、振動子を特定の構造にしたり、振動子を特定の振動モードで振動するようにしたりすることで、振動子を小型化しても、共振周波数が高くなることを防ぐことができる。
【００１１】
さらに、振動ジャイロのドリフト特性を改善するためには、駆動振動モードと検出振動モードとの両方において、共通のノード点を有する必要がある。
【００１２】
共通のノード点で振動子を支持することにより、振動子を支持する支持部からの振動漏れや外乱による振動の伝わりを防ぐことができ、良好な感度ドリフト特性を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平６−４２９７１号公報
【特許文献２】特開２０００−２４９５５４号公報
【特許文献３】特開平１１−３５１８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
振動子の共振周波数は振動子の形状で決まる振動モードと剛性と質量とにより定まり、その振動モードにおいては振動子の厚みおよび幅の寸法を調整することによって剛性や質量を変化させて、共振周波数を変更することが可能である。しかしながら、厚みおよび幅の寸法を調整することによって共振周波数を変更すると、共振周波数以外の特性まで変化してしまい、角速度の検出感度を改善できないことがある。
【００１５】
そこで本発明は、厚みおよび幅の寸法の調整に因らずに共振周波数を低くすることが可能な振動子と、その振動子を用いて角速度を高い感度で検出することができる振動ジャイロとの実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明に係る振動子は、複合梁を備えている。複合梁は、互いに並行する第１の梁部と第２の梁部とを両端で剛接した構成である。複合梁は、第１の梁部と第２の梁部とが反対称に撓んで両端部の間隔が変化するように振動する振動モードを有する。ここで反対称とは、位相が１８０°ずれた変形を指す用語である。この構成では、断面積が等しい単純梁に比較して剛性が低く、単純梁の振動モードよりも、共振周波数が低い振動モードが得られる。したがって、この振動子を振動ジャイロに用いれば、角速度の検出感度を高められる。
【００１７】
上述の振動子は、矩形環状部を備えると好適である。矩形環状部は、第１の梁部が外周側に位置し、第２の梁部が内周側に位置するように、複合梁を端部同士で剛接させて矩形環状に繋いだ構成であり、各複合梁は、矩形環状部の環状中心を通る軸に対して直交する面上に、第１の梁部と第２の梁部とが位置する構成である。この構成は、各複合梁の両端部の間隔が変化するとともに、各複合梁の中心部がそれぞれ環状中心を通る軸に対して直交する面内で振動する振動モードを持っている。このことにより、環状中心を通る軸、及び、それに平行な軸周りの角速度を検出することができる。
この面内振動する振動モードを利用する場合、環状中心を通る軸方向の剛性についての制約が殆ど無いので、駆動周波数を設定する際、厚み寸法を任意に設定することができ、振動子の薄型化を図るができるとともに、設計自由度を高めることができる。さらに、振動子の厚みがばらついたとしても、周波数変化がほとんどなく、振動子の厚みばらつきによる感度のばらつきはほとんどない。したがって、このような平面内での振動モードを持つ振動子を振動ジャイロに用いれば、角速度の検出感度を高められる。
【００１８】
上述の振動子は、連結部を備えると好適である。連結部は、連結梁部と中央連結部とにより構成されている。連結梁部は、一方の端部が第２の梁部に剛接され、他方の端部が中央連結部に剛接されている。中央連結部は、振動子の中心に設けられている。この構成では、連結梁部の一方の端部が第２の梁部に剛接されていることによって、互いに対向する複合梁に生じる振動が反対称になる。すると、連結梁部が撓みながら中央連結部が矩形環状部の対角線上を往復するように振動する。このような振動モードでは、各連結梁部それぞれの中央の部分がノード点となる。したがって、この連結部を持つ振動子を振動ジャイロに用いれば、ノード点である、連結部の連結梁部それぞれの中央の部分で振動子を支持することにより、振動子を支持する部位を介した振動の漏れや、外乱により不要振動が励振されることを防ぐことができ、角速度の検出値のドリフトを抑えて検出感度を高められる。
【００１９】
上述の振動子は、錘部を備えると好適である。錘部は、中央連結部に剛接されている。この構成では、錘部によって振動子の重量が増加する。したがって、この振動子を振動ジャイロに用いれば、作用するコリオリの力を増加させて、角速度の検出感度を高められる。
【００２０】
この発明に係る振動ジャイロは、上述の振動子と、振動子を駆動して第１の面内振動モードの振動を振動子に励起させる駆動部と、第１の面内振動モードで振動する振動子に、振動方向に直交する回転軸回りの角速度によって振動子に作用するコリオリの力により励起する第２の面内振動モードの振動を検出する検出部と、を備えると好適である。この構成では、検出感度の高い振動ジャイロとなる。
【００２１】
上述の振動ジャイロにおいて、振動子は、シリコン基板からなり、駆動部および検出部は、圧電膜と、グランド電極と、駆動電極または検出電極とを備える構成であると好適である。この構成では、振動子が駆動部や検出部から独立した構成となる。したがって、振動子の形状を、理想的な振動モードとなる形状に設定することができ、角速度の検出感度を高められる。また、振動子は、シリコン基板に対する半導体微細加工により高い形状精度を実現できる。また、圧電膜や電極は、薄膜微細加工プロセスで形成できる。
【００２２】
上述の振動ジャイロにおいて、圧電膜と、グランド電極と、駆動電極と、検出電極とは、振動子の一方の面のみに形成されていると好適である。この構成では、半導体微細加工プロセスと薄膜微細加工プロセスとを順に実施することで実現でき、製造工程を簡易化できる。
【００２３】
上述の振動ジャイロにおいて、駆動部および検出部は、浮き電極を備える構成であると好適である。駆動電極または検出電極は、圧電膜を介して浮き電極に対向するように形成される。この構成では、圧電膜に垂直に作用する電界を大きくすることにより、圧電変形量を大きくして、角速度の検出感度を高めることができる。また、浮き電極は配線する必要が無いので、配線のためにシリコン基板や圧電膜を加工する必要が無く、製造工程を簡易化できる。
【００２４】
上述の振動ジャイロにおいて、駆動電極は、圧電膜を介してグランド電極に対向するように形成されている第１の駆動電極と、圧電膜を介してグランド電極に対向するように形成されており、第１の駆動電極と隣接して形成されている第２の駆動電極とを有すると好適である。この構成では、極性の異なる駆動電圧を各駆動電極に印加することにより、単一の極性の駆動電圧のみを印加する場合に比較して、圧電膜に作用する電界強度を倍にできる。また、電圧極性を変更することにより電界の向きを変更できるので、圧電膜の分極方向を逆にした場合と同様の変形を容易に実現できる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明の振動子によれば、互いに並行する第１の梁部と第２の梁部とを両端で剛接した複合梁を備えていることにより、断面積が等しい単純梁に比較して剛性を低くでき、単純梁の振動モードよりも、共振周波数が低い振動モードを実現することができる。
【００２６】
また、この発明の振動ジャイロによれば、高い角速度の検出感度を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の振動子を備える振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る振動子の構成を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る振動子の振動モードを説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る振動子の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下の説明では、振動ジャイロの回転軸を直交座標系のＺ軸とし、平面形状が矩形の振動子の各辺に沿う方向を、それぞれ直交座標系のＸ軸方向、直交座標系のＹ軸方向とする。
【００２９】
《第１の実施形態》
図２は、本発明の第１の実施形態に係る振動子１の構成を示す斜視図である。
【００３０】
振動子１は、平面形状が正方形のシリコン基板からなり、両主面間を貫通するスリット５Ａ〜５Ｄ，９Ａ〜９Ｄが形成されている。振動子１は、スリット５Ａ〜５Ｄ，９Ａ〜９Ｄによって区画された、矩形環状部２と、連結部７と、錘部８Ａ〜８Ｄとを備えている。振動子１は半導体微細加工技術を利用して成形することにより、振動子１のＺ軸を対称軸とした形状対称性を極めて高いものにしている。
【００３１】
矩形環状部２は、平面形状が矩形環状の部位であり、スリット５Ａ〜５Ｄ，９Ａ〜９Ｄによって区画された、外周側梁部３Ａ〜３Ｄと、内周側梁部４Ａ〜４Ｄと、剛接部６Ａ〜６Ｄとを備えている。外周側梁部３Ａ〜３Ｄは、単純梁状の部位であり、振動子１の各辺の外周側に設けられている。内周側梁部４Ａ〜４Ｄは、単純梁状の部位であり、振動子１の各辺の内周側に設けられている。剛接部６Ａ〜６Ｄは、平面形状が正方形状の部位であり、振動子１の各角部に設けられている。外周側梁部３Ａ〜３Ｄと内周側梁部４Ａ〜４Ｄとは、両端が剛接部６Ａ〜６Ｄに剛接され、複合梁部２Ａ〜２Ｄを構成している。外周側梁部３Ａ〜３Ｄと内周側梁部４Ａ〜４Ｄとは、本実施形態の第１の梁部と第２の梁部とに相当する。
【００３２】
連結部７は、平面形状が十字状の部位であり、矩形環状部２によって囲まれる領域に設けられている。連結部７は、スリット９Ａ〜９Ｄによって区画された、連結梁部７Ａ〜７Ｄと中央連結部７Ｅとを備えている。連結梁部７Ａ〜７Ｄは、単純梁状の部位である。連結梁部７Ａ〜７Ｄは、一方の端部が矩形環状部２の各辺中央で内周側梁部４Ａ〜４Ｄに剛接されていて、他方の端部が中央連結部７Ｅに剛接されている。中央連結部７Ｅは、平面形状が正方形状の部位であり、振動子１の中心に設けられている。
【００３３】
錘部８Ａ〜８Ｄは、平面形状が正方形状の部位であり、スリット９Ａ〜９Ｄによって囲まれる領域に設けられている。錘部８Ａ〜８Ｄは、振動子１の中心側に位置する角部で中央連結部７Ｅに剛接されている。これらの錘部８Ａ〜８Ｄは、振動子１を用いて振動ジャイロ１１を構成した際に、振動子１の質量を増加させて、大きなコリオリの力が作用するように設けられている。
【００３４】
図３（Ａ）は、振動子１の第１の面内振動モードについて説明する図である。振動子１の第１の面内振動モードは、Ｘ軸から+４５°傾斜した方向を対称軸として、振動子１が変形する振動モードである。振動子１の第１の面内振動モードでは、外周側梁部３Ａ〜３Ｄと内周側梁部４Ａ〜４Ｄとの中央の部分が振動の腹（アンチノード点）となり、中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄは、Ｘ−Ｙ面内でＸ軸に対して+４５°傾斜した方向（剛接部６Ａと剛接部６Ｃとを結ぶ直線方向）に往復するように振動する。具体的には、以下のように振動する。中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄが剛接部６Ｃ側に動くとき、複合梁部２Ａ，２Ｂにおけるスリット５Ａ，５Ｂの間隔が大きくなると共に、複合梁部２Ｃ，２Ｄにおけるスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が小さくなる。このとき、連結梁部７Ａ，７Ｂは錘部８Ａ側に撓み、連結梁部７Ｃは錘部８Ｂ側に撓み、連結梁部７Ｄは錘部８Ｄ側に撓むため、連結梁部７Ａと連結梁部７Ｂとは互いに近づき、連結梁部７Ｃと連結梁部７Ｄとは互いに離れる。中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄが剛接部６Ａ側に動くとき、複合梁部２Ａ，２Ｂにおけるスリット５Ａ，５Ｂの間隔が小さくなると共に、複合梁部２Ｃ，２Ｄにおけるスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が大きくなる。このとき、連結梁部７Ａは錘部８Ｄ側に撓み、連結梁部７Ｂは錘部８Ｂ側に撓み、連結梁部７Ｃ，７Ｄは錘部８Ｃ側に撓むため、連結梁部７Ａと連結梁部７Ｂとは互いに離れ、連結梁部７Ｃと連結梁部７Ｄとは互いに近づく。すなわち、矩形環状部２は、複合梁部２Ａ，２Ｂでスリット５Ａ，５Ｂの間隔が拡大する際に、複合梁部２Ｃ，２Ｄでスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が縮小し、逆に、複合梁部２Ａ，２Ｂでスリット５Ａ，５Ｂの間隔が縮小する際に、複合梁部２Ｃ，２Ｄでスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が拡大するように振動する。連結部７は、連結梁部７Ａ，７Ｂと連結梁部７Ｃ，７Ｄとがそれぞれ逆向きに撓むように振動する。
【００３５】
図３（Ｂ）は、振動子１の第２の面内振動モードについて説明する図である。振動子１の第２の面内振動モードは、Ｘ軸から−４５°傾斜した方向を対称軸として、振動子１が変形する振動モードである。すなわち、振動子１の第２の面内振動モードは、第１の振動モードを９０°回転させた方向の振動モードである。振動子１の第２の面内振動モードでは、外周側梁部３Ａ〜３Ｄと内周側梁部４Ａ〜４Ｄとの中央の部分が振動の腹（アンチノード点）となり、中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄは、Ｘ−Ｙ面内でＸ軸に対して−４５°傾斜した方向（剛接部６Ｂと剛接部６Ｄとを結ぶ直線方向）に往復するように振動する。具体的には、以下のように振動する。中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄが剛接部６Ｂ側に動くとき、複合梁部２Ａ，２Ｄにおけるスリット５Ａ，５Ｄの間隔が大きくなると共に、複合梁部２Ｂ，２Ｃにおけるスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が小さくなる。このとき、連結梁部７Ａ，７Ｄは錘部８Ｄ側に撓み、連結梁部７Ｂは錘部８Ａ側に撓み、連結梁部７Ｃは錘部８Ｃ側に撓むため、連結梁部７Ａと連結梁部７Ｄとは互いに近づき、連結梁部７Ｂと連結梁部７Ｃとは互いに離れる。中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄが剛接部６Ｄ側に動くとき、複合梁部２Ａ，２Ｄにおけるスリット５Ａ，５Ｄの間隔が小さくなると共に、複合梁部２Ｂ，２Ｃにおけるスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が大きくなる。このとき、連結梁部７Ｂ，７Ｃは錘部８Ｂ側に撓み、連結梁部７Ａは錘部８Ａ側に撓み、連結梁部７Ｄは錘部８Ｃ側に撓むため、連結梁部７Ａと連結梁部７Ｄとは互いに離れ、連結梁部７Ｂと連結梁部７Ｃとは互いに近づく。すなわち、矩形環状部２は、複合梁部２Ｂ，２Ｃでスリット５Ｂ，５Ｃの間隔が拡大する際に、複合梁部２Ｄ，２Ａでスリット５Ａ，５Ｄの間隔が縮小し、逆に、複合梁部２Ｂ，２Ｃでスリット５Ｂ，５Ｃの間隔が縮小する際に、複合梁部２Ｄ，２Ａでスリット５Ａ，５Ｄの間隔が拡大するように振動する。連結部７は、連結梁部７Ｂ，７Ｃと連結梁部７Ｄ，７Ａとがそれぞれ逆向きに撓むように振動する。
【００３６】
錘部８Ａ〜８Ｄそれぞれは、第１の面内振動モードでの振動方向と第２の面内振動モードでの振動方向とが９０°ずれている。したがって、第１の面内振動モードと第２の面内振動モードとの共振周波数を略一致させることで、これらの振動モードを振動ジャイロにおける駆動振動モードと検出振動モードとして利用することができる。
【００３７】
また、これらの振動モードでは、矩形環状部２や錘部８Ａ〜８Ｄにはノード点はなく、連結部７の連結梁部７Ａ〜７Ｄそれぞれの中央の部分がノード点となる。ノード点の位置は、第１の面内振動モードと第２の面内振動モードとで一致する。したがって、このノード点である、連結部７の連結梁部７Ａ〜７Ｄそれぞれの中央の部分で振動子１を支持すれば、振動子を支持する部位を介した振動の漏れや、外乱による不要振動の励起を防ぐことができる。
【００３８】
また、複合梁部２Ａ〜２Ｄは、スリット５Ａ〜５Ｄが設けられているため、断面２次モーメントが小さく、剛性が低いものになる。したがって、複合梁部２Ａ〜２Ｄのスリット５Ａ〜５Ｄの間隔が拡縮する振動は、スリット５Ａ〜５Ｄを設けない単純梁よりも共振周波数が低いものになる。このことにより、複合梁部２Ａ〜２Ｄを有する振動子１でも、共振周波数が低くなる。
【００３９】
次に、第１の実施形態に係る振動子１を用いた振動ジャイロ１１の構成例に付いて説明する。図４（Ａ）は、振動ジャイロ１１の平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中にＢ−Ｂ’で示す位置での振動ジャイロ１１の部分拡大断面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）中にＣ−Ｃ’で示す位置での振動ジャイロ１１の部分拡大断面図である。
【００４０】
振動ジャイロ１１は、振動子１と、浮き電極１２と、圧電膜１３と、グランド電極１４と、駆動電極１５と、検出電極１６Ａ，１６Ｂと、基板１７とを備えている。
【００４１】
浮き電極１２は、基板１７の上面に形成されている。圧電膜１３は、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウムナトリウム、酸化亜鉛などのいずれかの圧電材料からなる薄膜であり、浮き電極１２と基板１７とを覆うように形成されている。グランド電極１４と、駆動電極１５と、検出電極１６Ａ，１６Ｂとは、圧電膜１３の上面に形成されている。基板１７は、シリコン基板からなる。
【００４２】
グランド電極１４は、剛接部６Ｃに設けられた外部接続用のパッドから、外周側梁部３Ａ〜３Ｄと、内周側梁部４Ａ〜４Ｄと、連結梁部７Ａ〜７Ｄと、中央連結部７Ｅとに、線路状に延設されている。駆動電極１５は、剛接部６Ａに設けられた外部接続用のパッドから、外周側梁部３Ａ，３Ｂと、内周側梁部４Ａ，４Ｂと、連結梁部７Ａ〜７Ｄと、中央連結部７Ｅとに、線路状に延設されている。検出電極１６Ａは、剛接部６Ｂに設けられた外部接続用のパッドから、外周側梁部３Ｃと、内周側梁部４Ｃとに、線路状に延設されている。検出電極１６Ｂは、剛接部６Ｄに設けられた外部接続用のパッドから、外周側梁部３Ｄと、内周側梁部４Ｄとに、線路状に延設されている。
【００４３】
駆動電極１５は、浮き電極１２と、圧電膜１３と、グランド電極１４とともに、駆動部として機能する電気機械変換素子を構成している。検出電極１６Ａ，１６Ｂは、浮き電極１２と、圧電膜１３と、グランド電極１４とともに、検出部として機能する電気機械変換素子を構成している。
【００４４】
駆動電極１５は、外周側梁部３Ｂと、内周側梁部４Ｂと、連結梁部７Ａ，７Ｃと、中央連結部７ＥとにおいてＸ軸に沿うように設けられており、外周側梁部３Ａと、内周側梁部４Ａと、連結梁部７Ｂ，７Ｄと、中央連結部７ＥとにおいてＹ軸に沿うように設けられている。すなわち、駆動電極１５は、Ｘ軸に対して+４５°傾斜した方向（剛接部６Ａと剛接部６Ｃとを結ぶ直線方向）を対称軸として、設けられている。このため、駆動電極１５に交番電圧を印加すると、振動子１は図３（Ａ）で示した第１の面内振動モードで振動する。すなわち、振動ジャイロ１１は、振動子１の第１の面内振動モードを駆動振動モードとして用いる。
【００４５】
また、検出電極１６Ａは、外周側梁部３Ｃと、内周側梁部４ＣとにおいてＹ軸に沿うように設けられている。検出電極１６Ｂは、外周側梁部３Ｄと、内周側梁部４ＤとにおいてＸ軸に沿うように設けられている。すなわち、検出電極１６Ａ，１６Ｂは、Ｘ軸に対して+４５°傾斜した方向（剛接部６Ａと剛接部６Ｃとを結ぶ直線方向）を対称軸として、設けられている。このため、振動子１が駆動振動モードである図３（Ａ）で示した第１の面内振動モードで振動すると、複合梁部２Ｃでスリット５Ｃの間隔が拡大する際に、複合梁部２Ｄでスリット５Ｄの間隔も拡大し、逆に、複合梁部２Ｃでスリット５Ｃの間隔が縮小する際に、複合梁部２Ｄでスリット５Ｄの間隔も縮小するように振動する。すなわち、複合梁部２Ｃ，２Ｄは対称に振動し、検出電極１６Ａ，１６Ｂに同位相の検出電圧が励起する。検出電極１６Ａ，１６Ｂそれぞれで励起された検出電圧を後段の回路で差動増幅すると、同位相の検出電圧は互いに打ち消し合う。したがって、駆動振動モードの振動を検出しないように検出回路を構成することができる。
【００４６】
振動ジャイロ１１において、振動子１に駆動振動モードの振動が励起されている状態で、振動子１に回転軸であるＺ軸回りの角速度が作用すると、回転軸および振動子１の駆動振動方向に対して直交する方向にコリオリの力が作用する。このコリオリの力により、振動子１は、図３（Ｂ）で示した第２の面内振動モードで振動する。すなわち、振動ジャイロ１１は、振動子１の第２の面内振動モードを検出振動モードとして用いる。検出振動モードの振動は、角速度に応じた振幅で励起される。すると、複合梁部２Ｃでスリット５Ｃの間隔が拡大する際に、複合梁部２Ｄでスリット５Ｄの間隔が縮小し、逆に、合梁部２Ｃでスリット５Ｃの間隔が縮小する際に、複合梁部２Ｄでスリット５Ｄの間隔が拡大するように振動する。すなわち、複合梁部２Ｃ，２Ｄは反対称に振動し、検出電極１６Ａ，１６Ｂに逆位相の検出電圧が励起する。検出電極１６Ａ，１６Ｂそれぞれで励起された検出電圧を後段の回路で差動増幅すると、逆位相の検出電圧は加算される。したがって、検出振動モードによる振動の振幅に応じた出力を得るように検出回路を構成することができる。
【００４７】
以上のように本実施形態の振動ジャイロ１１は構成される。スリット５Ａ〜５Ｄを設けた複合梁部２Ａ〜２Ｄにより矩形環状部２を構成しているため、矩形環状部２にスリット５Ａ〜５Ｄを設けない場合よりも駆動振動モードと検出振動モードとの共振周波数が低くなり、振動振幅を大きいものにすることができる。したがって、振動子１に作用するコリオリの力が大きなものになるとともに検出効率が向上し、コリオリの力と検出効率との積で表される検出感度を高いものにできる。
【００４８】
また、振動ジャイロ１１は、駆動振動モードと検出振動モードのいずれの振動モードにおいても連結部７の連結梁部７Ａ〜７Ｄそれぞれの中央の部分がノード点となり、それらのノード点の位置が駆動振動モードと検出振動モードとで一致する。したがって、それらのノード点で振動ジャイロ１１を支持することで、振動子１の支持部を介した振動の漏れを防ぐことや、外乱による不要振動の励振を防ぐことができ、検出電圧のドリフトが抑えられて角速度の検出感度を高められる。また、振動子１の振動が振動子１の支持部によって規制されることがないため、角速度の検出感度を高くすることができる。
【００４９】
また、振動子１は、シリコン基板から一体成形された構成であり、圧電膜１３と電極１２，１４，１５，１６Ａ，１６Ｂとから電気機械変換素子を構成していることにより、振動子１の半導体微細加工プロセスと、電極および圧電膜の薄膜微細加工プロセスとを用いて振動ジャイロ１１は製造することができる。したがって、形状精度を極めて高いものにすることができる。なお、圧電膜１３と基板１７との間に浮き電極１２を設けることにより、浮き電極１２を設けない場合よりも、圧電膜１３に作用する垂直な電界を大きくすることができ、圧電膜１３の変形を大きなものにすることができる。また、浮き電極１２は、振動子１にビア等を設けて配線する必要が無く、振動子１を理想的な振動モードで振動させることができる。
【００５０】
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ２１について説明する。
【００５１】
図５（Ａ）は、本実施形態に係る振動ジャイロ２１の部分拡大断面図である。この振動ジャイロ２１は、第１の実施形態で示した振動子１の底面にＳｉＯ２薄膜２２を設け、振動子１のノード点をシリコン柱部２３で支持する構成である。
【００５２】
このような構成の場合、振動子１とＳｉＯ２薄膜２２とシリコン柱部２３とを、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から一体成形することができる。ＳＯＩ基板はＳｉＯ２薄膜の両面にシリコンの単結晶構造が設けられた基板である。
【００５３】
振動ジャイロ２１においてＳＯＩ基板を利用する場合には、ＳＯＩ基板の天面側からＳｉＯ２薄膜２２をエッチングストップ層としてＳｉをエッチングすることにより振動子１を成形し、ＳＯＩ基板の底面側からＳｉＯ２薄膜２２をエッチングストップ層としてＳｉをエッチングすることによりシリコン柱部２３を形成するとよい。このようにＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ２１を製造することにより、部材供給の安定性と高品質化、製造コストの低廉化などを図ることができる。
【００５４】
図５（Ｂ）は、本実施形態の変形例に係る振動ジャイロ３１の部分拡大断面図である。振動ジャイロ３１は、ＳｉＯ２支持部３２とシリコン基板３３とを備えている。ＳｉＯ２支持部３２は、ＳｉＯ２薄膜からなる。ＳｉＯ２薄支持部３２は、振動子１のノード点となる領域のみに設けられていて、振動子１とシリコン基板３３とを物理的に接続している。
【００５５】
このような構成の場合にも、振動子１とＳｉＯ２支持部３２とシリコン基板３３とを、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から一体成形することができる。具体的には、ＳＯＩ基板の天面側からＳｉＯ２薄膜をエッチングストップ層としてＳｉをエッチングすることにより振動子１を成形し、そのエッチングによる開口部からＳｉＯ２薄膜をエッチングすることによりＳｉＯ２支持部３２を成形するとよい。この場合にも、ＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ３１を製造することにより、部材供給の安定性と高品質化、製造コストの低廉化などを図ることができる。
【００５６】
《第３の施形態》
次に、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ４１について説明する。
【００５７】
図６は、本実施形態に係る振動ジャイロ４１の部分拡大断面図である。この振動ジャイロ４１は、第１の実施形態で示したものとは異なる電極構造を持つ構成である。
【００５８】
振動ジャイロ４１は、グランド電極４２と、圧電膜４３と、第１の駆動電極４４と、第２の駆動電極４５と、基板４７を備えている。グランド電極４２は、圧電膜４３と基板４７との間に配置されている。グランド電極４２は、第１の実施形態の浮き電極１２をグランドに接続されている。第１の駆動電極４４と、第２の駆動電極４５とは、圧電膜４３を介してグランド電極４２に対向するように設けられている。駆動電極４４，４５は、互いに正負の極性が逆の駆動電圧が印加される。このような電極構造であれば、第１の実施形態で示した電極構造と同じ駆動電圧であっても、圧電膜４３に作用する電界の強さを２倍にすることができ、振動子１の振動振幅をさらに大きくすることができる。
【００５９】
《第４の実施形態》
次に、本発明の第４の実施形態に係る振動子の構成について説明する。
【００６０】
図７(Ａ)は、本実施形態に係る振動子５１の斜視図である。振動子５１は、第１の実施形態で示した振動子１の構成から錘部を省いた構成である。この振動子５１は、第１の実施形態と同様に、図３で示した振動モードと同じ振動モードで振動する。すなわち、Ｘ−Ｙ面におけるＸ軸から+４５°傾斜した方向を対称軸として、振動子５１が変形する振動モードである第１の面内振動モードと、Ｘ−Ｙ面におけるＸ軸から−４５°傾斜した方向を対称軸として、振動子５１が変形する振動モードである第２の面内振動モードで振動する。
【００６１】
図７(Ｂ)は、本実施形態の変形例に係る振動子６１の斜視図である。振動子６１は、第１の実施形態で示した振動子１の構成から連結部および錘部を省いた構成である。この振動子６１は、第１の実施形態と同様に、図３で示した振動モードと同じ振動モードで振動するだけではなく、従来例の図１で示した振動モードと同様に、Ｘ軸を対称軸とする振動モードと、Ｙ軸を対称軸とする振動モードでも振動する。
【００６２】
図７（Ｃ）は、本実施形態の変形例に係る振動子７１の斜視図である。振動子７１は、単一の複合梁２Ａを備える構成である。この振動子７１は、スリット５Ａの間隔が拡縮するとともに、両端間隔が変化する振動モードのみを有する。
【００６３】
これらの振動子５１，６１，７１であってもスリットを設けて複合梁を構成することにより、単純梁の場合よりも共振周波数を低減し、振動振幅を大きくすることができる。したがって、これらの振動子を利用して振動ジャイロを構成することにより、角速度に対する良好な検出感度を実現することが容易となる。
【符号の説明】
【００６４】
１，５１，６１，７１…振動子
２…矩形環状部
２Ａ〜２Ｄ…複合梁部
３Ａ〜３Ｄ…外周側梁部
４Ａ〜４Ｄ…内周側梁部
５Ａ〜５Ｄ，９Ａ〜９Ｄ…スリット
６Ａ〜６Ｄ…剛接部
７…連結部
７Ａ〜７Ｄ…連結梁部
７Ｅ…中央連結部
８Ａ〜８Ｄ…錘部
１１，２１，３１，４１，…振動ジャイロ
１２…浮き電極
１３，４３…圧電膜
１４…グランド電極
１５…駆動電極
１６Ａ，１６Ｂ…検出電極
１７，４７…基板
２２…ＳｉＯ２薄膜
２３…シリコン柱部
３２…ＳｉＯ２支持部
３３…シリコン基板
４２…グランド電極
４４…第１の駆動電極
４５…第２の駆動電極
【図１】
0005810685.tif 000002
【図２】
0005810685.tif 000003
【図４】
0005810685.tif 000004
【図５】
0005810685.tif 000005
【図６】
0005810685.tif 000006
【図７】
0005810685.tif 000007
【図３】
0005810685.tif 000008