(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラム形の振動励起部と、前記振動励起部の中央部に形成され、Ｘ方向あるいはＹ方向あるいはＺ方向の少なくとも一方向に振動する振動体と、前記振動励起部の周辺を支持する周辺支持部とからなる角速度センサであって、
前記周辺支持部と接合される振動安定部をさらに備え、
前記振動安定部は、振動の周波数が低いときには軟らかく、振動の周波数が高いときには固くなる性質を備えたシリコン系接着剤により前記周辺支持部と接合されており、
前記周辺支持部の外周部の輪郭形状は矩形状を有しており、前記振動励起部の外形の輪郭形状は八角形状を有しており、前記振動体は円柱形状を有しており、
硬化後の前記シリコン系接着剤の厚みは、１０乃至５０μｍであり、
前記振動安定部は、前記周辺支持部との重量合計が前記振動体の重量の２０倍以上となる重量を有していることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記振動安定部は、シリコン基板を含んで構成されている請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記振動安定部に、角速度センサが固定されるパッケージが含まれている請求項２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記振動安定部は、タングステンまたはモリブデンにより構成された金属板を含んでいる請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記振動安定部は、タングステン、モリブデンの金属材料、シリコン基板、有機系材料から選択された２以上の材料を組み合わせるかまたは積層してなる複合材料を含んでいる請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記振動体の中心を通る一対の仮想直交面が少なくとも通過する４ヶ所の位置で前記周辺支持部と前記振動安定部とが前記接着剤により接合されており、
前記振動体は、前記仮想直交面に沿って振動する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記周辺支持部の外周の輪郭形状は矩形状を有しており、
前記周辺支持部の仮想対角面が少なくとも通過する４ヶ所の位置で前記周辺支持部と前記振動安定部とが前記接着剤により接合されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記振動安定部の重量が、前記振動体の重量の４０倍以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記周辺支持部は、２つの前記振動励起部の外周部を支持しており、
一方の振動励起部の中央領域に形成された前記振動体は、前記振動励起部に垂直な方向の角速度を検出し、
他方の振動励起部の中央領域に形成された前記振動体は、前記振動励起部と平行な方向の角速度を検出する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動を励起して角速度を計測する角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００７−９３３２９号公報（特許文献１）の図１には、積層方向に並ぶ角速度検出素子２０、回路基板３０、台座６０及びパッケージの搭載面１３を、それぞれ接着剤で接合するととともに、パッケージの壁面１４と台座６０とを接着剤で接合した振動型の角速度センサが開示されている。特許文献１に示す振動型の角速度センサでは、振動体を支持する支持部に対する振動体の動作に応じて変化する角速度検出素子２０の出力の変化を測定することにより、角速度センサに作用する角速度を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９３３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、角速度センサが実装されるモバイル機器等の電子機器の小型化が促進されている。これにより、角速度センサの小型化が一層進められている。コレオリ力を利用する角速度センサは、振動体を振動させておいて、角速度を感じた時に生じるコレオリ力を検出して角速度を測定するものである。しかしながら、角速度センサの小型化により、角速度センサの振動体と、振動体を支持固定する支持部との重量比が小さくなってしまい、振動体の振動により本来ならば静止していなければならない支持部が振動して、支持部に対して振動体を正確に振動させることができないため角速度の検出精度が劣化するという問題が生じている。また振動体の振動エネルギーが支持部に伝達してしまうことにより振動損失が生じて、振動体の振動に対する機械的Ｑ値が低くなり、角速度センサのセンサ感度が小さくなる、温度特性が劣化するなどの重大な問題が生じている。【０００５】
特許文献１の角速度センサでは、角速度センサ装置全体の重量を大きくするために台座６０を低弾性率の接着剤により接合している。しかしながら台座６０は、角速度センサが吸収する外部振動の周波数範囲を広げるために設けられたものであるので、振動体の振動により支持部が動くことを抑制するだけの重量を備えておらず、振動体を精確に振動させることができない。【０００６】
本発明の目的は、小型化しても、機械的Ｑ値（以後、単にＱ値と言う場合もある）の低下を抑制でき、従って感度が大きく、感度の温度特性を小さくする角速度を計測する角速度センサを提供することにある。【０００７】
本発明の他の目的は、小型化しても、振動体の振動により支持部が動くことを抑制できる、すなわち安定で正確な振動を得ることにより、正確に角速度を計測する角速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はダイアフラム形の振動励起部と、振動励起部の中央部に形成され、Ｘ方向あるいはＹ方向あるいはＺ方向の少なくとも一方向に振動する振動体と、振動励起部の周辺を支持する周辺支持部とからなる角速度センサを改良の対象とする。なお本願明細書において、「ダイアフラム形の振動励起部」とは、ダイアフラムの上に圧電振動膜などの振動励起層が形成されたものを意味する。また「振動励起部の中央部」とは、励起振動部の中心部だけでなく、中心部を中心とする誤差範囲まで含むものである。本発明の角速度センサは、周辺支持部と接合される振動安定部をさらに備えている。そして周辺支持部の外周部の輪郭形状は矩形状を有しており、振動励起部の外形の輪郭形状は八角形状を有しており、振動体は円柱筒形状を有している。なお本願明細書において、「矩形状」とは、正方形や長方形などの形状であり、四隅の角度が完全に９０度の矩形だけでなく、四隅の角度が９０度の誤差範囲に入るもの、角部に小さいアール（湾曲）が付いているもの、また対向する一対の辺が完全に同じ寸法にはならないが、誤差範囲に入るものも含むものである。また「八角形状」とは、八箇所の角部の内角が４５度の誤差範囲に入るもの、角部に小さいアールが付いているもの、また対向する一対の辺が完全に同じ寸法にはならないが、誤差範囲に入るものを含むものである。さらに「円柱形状」とは、横断面が真円になるものだけでなく、横断面が真円の誤差範囲に入るものを含むものである。【０００９】
本発明では、振動安定部が、振動の周波数が低いときには軟らかく、振動の周波数が高いときには固くなる性質を備えた接着剤により周辺支持部と接合されている。硬化後のこの接着剤の厚みは、１０乃至５０μｍである。そして本発明の角速度センサでの振動安定部は、単体の物質から構成されたものでよく、また複数の物質または材料が組み合わされてなる複合体でもよい。そして振動安定部は、周辺支持部との重量合計が振動体の重量の２０倍以上となる重量を有している。【００１０】
上記の構成にすると、円柱形状の振動体が振動すると、振動体の振動により周辺支持部が振動する。この時、周辺支持部の重量が振動体の重量よりも大きくなると、外周の輪郭形状が矩形状を有していて外形の輪郭形状が八角形状を有するダイアフラム型の振動励起部を支持する周辺支持部は、振動体の振動よりも小さな振動振幅で振動することとなる。【００１１】
本発明では、周辺支持部と振動安定部との接着を、周波数が低いときには軟らかく、振動体の振動のような周波数が高いときには固くなる接着剤の層を使用しているので、温度変化がもたらす変位あるいは振動や外部からの変位あるいは振動のような変位あるいは周波数の低い振動は、軟らかい状態の接着剤により吸収される。また、振動励起部より励起される周波数の高い円柱形状の振動体の振動は、固い状態の接着剤の層により吸収されることがない。また本発明では、硬化後の接着剤の厚みを１０乃至５０μｍとしている。これは硬化後の接着剤の厚みが５０μｍより厚くなると、周辺支持部と振動安定部との一体化が不十分となり、支持部が独立に振動しやすくなるので振動体の振動が支持体に漏れ、機械的Ｑ値が低くなるので、５０μｍ以下の厚みにすることが望ましい。また、硬化後の接着剤の厚みが１０μｍより薄くなる場合には、外周の輪郭形状が矩形状を有して輪郭形状が八角形状を有している振動励起部を支持する周辺支持部と円柱形状の振動体の熱膨張率の差に起因する部材間の寸法の変化や外部からの振動の影響を抑制できずに、角速度センサの出力の温度変化や外部振動の影響が大きくなる。そのため硬化後の接着剤の厚みは、１０μｍ以上にすることが望ましい。さらに本発明では、周辺支持部と振動安定部とを一体化して、周辺支持部及び振動安定部の合計重量が振動体の重量の２０倍以上となるように構成している。また、振動安定部を複数の材料を積層した積層構造などの複合構造とすることによって、振動安定部の機械的Ｑ値を低く設定できるので温度変化や周囲からの振動を一層減衰することができ、その結果として温度変化や周囲からの振動の影響などを一層低減できる。【００１２】
そのため本発明では、円柱形状の振動体の重量と、外周の輪郭形状が矩形状を有している周辺支持部及び振動安定部の合計重量との重量差が大きくなり、振動体の振動により周辺支持部が動くこと、つまり振動体の振動が周辺支持体に漏れるのを抑制することができる。よって、輪郭形状が八角形状を有している振動励起部を支持する周辺支持部に対して正確に振動体を振動させることができる。また、輪郭形状が八角形状を有している振動励起部を支持する周辺支持部が動くことにより角速度センサから外部に振動が漏れることを抑制することができるので、振動体の振動エネルギーに損失が生じて、振動体のＱ値が低くなることがない。以上のことから、本発明によれば、小型化しても、Ｑ値が低下することがないのでセンサ感度を高くでき、センサ出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を正確に振動させて正確に角速度を検出することができる角速度センサを得ることができる。【００１３】
また、本発明によれば、周辺支持部の外周の輪郭形状は矩形状を有しており、振動励起部の外形の輪郭形状は八角形状を有しており、振動体は円柱形状を有しており、それぞれの形状が異なっているので、円柱形状振動体の振動は八角形状の振動励起部に伝わりにくく、八角形状の振動励起部の振動は外周輪郭形状が矩形状の周辺支持部に伝わりにくい。振動の伝播方向の逆も伝わりにくいという特長を持つ。故に、振動体の振動が正確に行われ、上記に記載した振動体の重量と周辺支持部及び振動安定部の合計重量との重量差が大きく、周波数が低いときには軟らかく周波数が高いときには固くなる接着剤の効果と相まって、小型化しても、Ｑ値が低下することがないのでセンサ感度を高くでき、センサ出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を正確に振動させて正確に角速度を検出することができる角速度センサを提供することができる。【００１４】
振動体と周辺支持部との接着に用いる接着剤は、シリコン系接着剤であることが好ましい。硬化後のシリコン系接着剤では、振動体の周波数が低いときには軟らかく、振動体の周波数が高いときには固くなる性質が特に顕著である。また、接着剤の厚みを制御するためには接着剤に所定の粒子やファイバを混入させれば効果的である。【００１５】
振動安定部には、角速度センサが固定され、実装されるパッケージが含まれていてもよいのは勿論である。振動安定部が、例えば比重の大きい金属材料を含んでいてもよい。特に熱膨張率が小さいシリコンの熱膨張係数（２．６ｐｐｍ）に近い熱膨張係数を有するタングステン（熱膨張係数４．５ｐｐｍ）またはモリブデン（熱膨張係数４．８ｐｐｍ）からなる材料を振動安定部に含めることが好ましい。また、振動安定部には、タングステン、モリブデン等の金属材料や、セラミックなどの材料、シリコン基板、ゴムやエポキシ樹脂、シリコン樹脂等の有機材料等の各種の材料から選択した２以上の材料を組み合わせたり、積層して構成した複合材料を含めてもよい。選択する材料の組み合わせによって機械的Ｑ値が低い、つまり外部振動を低減でき、しかも重量の大きい振動安定部を形成できる。このような材料を含めて振動安定部を構成すれば、振動安定部を小さくでき、角速度センサの小型化を阻害することがない。また、材料の選択により熱膨張率を調整できるので、角速度センサが実装される回路基板等の熱膨張率が大きい場合でも、振動安定部が緩衝層として機能し、回路基板等の熱膨張による影響を小さくすることができる。なお角速度センサの高さ寸法を小さくする必要がある場合には、振動安定部を、角速度センサが実装されるシリコン基板、またはシリコン基板とパッケージの組み合わせから構成すればよい。【００１６】
例えば、周辺支持部と振動安定部とは、例えば振動体の中心を通る一対の仮想直交面が通過する４ヶ所の位置で接着剤により接合することができる。この場合には振動体を、仮想直交面に沿って振動するように構成する。このように構成すると、振動体の振動により周辺支持部が動く方向に接着剤が存在するので、周辺支持部の動きを接着剤で確実に抑制することができ、外部に振動体の振動が漏れることを確実に防止することができる。もちろん、上記の４ヶ所を含む更に多数箇所で周辺支持部と振動安定部とを接合しても良いし、周辺支持部を全周で振動安定部に接合してもよい。【００１７】
周辺支持部の内周に接着剤がはみ出して、振動励起部に付着してしまうと角速度センサが正しく作動しなくなる。特に角速度センサが小型化すると、接着剤の塗布に高い精度が要求される。そこで、周辺支持部の外周の輪郭形状が矩形状に形成されている場合には、周辺支持部の仮想対角面が通過する４ヶ所の位置で、周辺支持部と振動安定部とを接着剤により接合することが好ましい。周辺支持部の仮想対角面が通過する位置は、周辺支持部の他の部分よりも、外周と内周との間隔が広くとることができるため、接着剤の塗布を簡単に行うことができる。【００１８】
振動安定部の重量は、多くの研究の結果、周辺支持部との重量合計が振動体の重量の２０倍以上であることが必要であることが見いだされ、さらに４０倍以上であることが好ましい。このように構成すると、周辺支持部の重量に拘わらず、周辺支持部に対してより正確に振動体を振動させることができる。【００１９】
周辺支持部に２つの振動励起部の外周部を支持させてもよい。そして、一方の振動励起部の中央領域に形成された振動体により、振動励起部に垂直な方向の角速度を検出し、他方の振動励起部の中央領域に形成された振動体により、振動励起部と平行な方向の角速度を検出するように構成する。このようにすると、振動励起部に垂直な方向の角速度及び振動励起部と平行な方向の角速度を、２つの振動体により分離して検出することができる。そのため、振動体の振動方向を切り替える必要がないため、角速度センサの応答性能を高めることができる。【００２０】
本発明は角速度センサだけでなく、振動部と支持部を持つその他のデバイス、例えばＭＥＭＳミラー、加速度センサなどにも適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施形態としての角速度センサにおける電極構造の一例を示す平面図であり、（Ｂ）は振動安定部を取り除いた状態の底面図である。
【図２】パッケージに取り付けた状態を示す図１（Ａ）の仮想面ＣＬ１−ＣＬ１線の断面図である。
【図３】図１の角速度センサにおいて、周辺支持部と振動安定部の合計重量を変更した場合におけるＱ値の値を測定した実験の結果を示すグラフである。
【図４】図１の角速度センサにおいて、周辺支持部と振動安定部との接着剤の厚みを変更した場合におけるＱ値の値と出力の温度変化を測定した実験の結果を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態としての角速度センサの平面図であり、（Ｂ）は振動安定部を取り除いた状態の底面図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、図１及び図５の実施の形態の角速度センサを、重錘をＸ軸方向に振動させるように振動励起用電極を駆動したときに得られる４つの角速度検出用電極から得られる所定の周波数範囲における出力の一部を示す図である。
【図７】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態としての角速度センサの振動安定部を取り除いた状態の底面図であり、（Ｂ）はパッケージに取り付けた状態を示す図７（Ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の角速度センサの実施の形態について説明する。
【００２３】
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態としての角速度センサ１の一例の平面図であり、図１（Ｂ）は、後述する振動安定部を構成するシリコン板１９を取り除いた状態の底面図である。図２は、角速度センサ１をパッケージに取り付けた状態を示す図１（Ａ）のＣＬ１−ＣＬ１線の断面図である。なお、本明細書においては、理解を容易にするために、一部の部品の寸法を誇張して描いている。
【００２４】
本実施の形態の角速度センサ１は、外周が八角形状の平板状のダイアフラム３と、ダイアフラム３の裏面中央部に配置された円柱形状の振動体としての重錘５と、ダイアフラム３の外周部を支持する外周部が矩形形状の周辺支持部７と、ダイアフラム３の表面に絶縁膜９を介して形成された下部電極１１と、下部電極１１の上に形成された圧電薄膜１３と、圧電薄膜１３の上に形成された４つの振動励起用電極１５及び４つの角速度検出用電極１７とを備えている。本実施の形態では、ダイアフラム３と圧電薄膜１３が膜状の振動励起部を構成している。そしてダイアフラム３と、重錘５と、周辺支持部７とは、結晶方位が（１００）の半導体シリコン基板の一方の面上に重錘５の端面と周辺支持部７の端面に対応する形状を有するマスクを配置し、このマスク側からドライエッチングを施すことにより、一体に形成されている。重錘５はその一部または全部をタングステンやモリブデンなどの他の材料で構成することもできる。本実施の形態では、４つの振動励起用電極１５に駆動電気信号を与えることにより圧電薄膜１３を伸縮させて、重錘５に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起する。また角速度検出用電極１７により、コリオリ力に基づいて重錘５に生じる変位軸の方向の変位を検出する。
【００２５】
ダイアフラム３の外周部の輪郭形状は、一辺の長さが約０．４ｍｍの辺Ｓ１乃至Ｓ４の四隅に直線部Ｃ１乃至Ｃ４を有する略八角形形状を有している。ダイアフラム３の厚みは約０．００９ｍｍである。本実施の形態では、直線部Ｃ１〜Ｃ４の長さが、辺Ｓ１〜Ｓ４の長さよりも長くなるようにダイアフラム３が構成されている。本実施の形態では、正方形の各辺Ｓ１〜Ｓ４と直線部Ｃ１〜Ｃ４との交点部には、小さいアール部が形成されている。なおこのアール部は無くても動作上の問題はない。そして重錘５は、円柱形状を呈している。重錘５の直径は０．４ｍｍである。
【００２６】
周辺支持部７は、筒状に構成されている。周辺支持部７の外周部の輪郭形状は、矩形状を有しており、本実施の形態ではほぼ正方形形状であるが、長方形状とすることもできる。一辺の長さは約１．１ｍｍであり、ダイアフラム３が設けられた面からシリコン板１９が接合される先端までの長さ寸法（厚み）は約０．４０８ｍｍである。また周辺支持部７の内周部は、ダイアフラム３の辺Ｓ１乃至Ｓ４とそれぞれ連続する面Ｆ１乃至Ｆ４と、ダイアフラム３の四隅の直線部Ｃ１乃至Ｃ４とそれぞれ連続する４つの面ＦＣ１乃至ＦＣ４とから構成されており、周辺支持部７の内周部の輪郭形状は、ダイアフラム３の外周部の輪郭形状と同じである。周辺支持部７には、ダイアフラム３と離れる方向の端面７ａに、正方形形状のシリコン板１９が接着剤２１により接合されている。
【００２７】
本実施の形態では、ダイアフラム３の中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラム３の表面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、図１（Ａ）に示すようにＸ軸とＹ軸とを定義している。ダイアフラム３の対向する２辺Ｓ１及びＳ３と直交し且つ該２辺Ｓ１及びＳ３を二分する第１の仮想線Ｌ１と、ダイアフラム３の対向する残りの２辺Ｓ２及びＳ４と直交し且つ該２辺を二分する第２の仮想線Ｌ２と、ダイアフラム３の対向する２つの直線部Ｃ１及びＣ３の中心を通る第１の仮想対角面ＣＬ１と、ダイアフラム３の対向する残りの２つの直線部Ｃ２及びＣ４の中心を通る第２の仮想対角面ＣＬ２とを仮定する。そしてダイアフラム３の外周部の輪郭形状を、第１の仮想線Ｌ１または第２の仮想線Ｌ２に対して線対称となる形状とする。本実施の形態では、４つの振動励起用電極１５及び４つの角速度検出用電極１７を、第１及び第２の仮想対角面ＣＬ１及びＣＬ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成している。本実施の形態では、第１の仮想線Ｌ１及び第２の仮想線Ｌ２がＸ軸の軸線及びＹ軸の軸線とそれぞれ一致している。
【００２８】
４つの振動励起用電極１５の輪郭形状は、重錘５の径方向外側に位置する外辺１５Ａと、この外辺１５Ａと径方向に対向する内辺１５Ｂと、外辺１２Ａと内辺１２Ｂとを連結する一対の連結辺１５Ｃ及び１５Ｄとからなる。外辺１５Ａの形状は、ダイアフラム３の外周部の一部（隣合う２つの辺の一部と直線部に亘る部分）の形状と相似形になっている。また振動励起用電極１５の輪郭形状の内辺１５Ｂの形状も外辺の形状の相似形となっている。４つの振動励起用電極１５をこのような形状にすると効率良く振動を生じさせることができる。振動励起用電極１５を円弧形状にすることもできる。
【００２９】
また４つの角速度検出用電極１７の輪郭形状は、重錘５の径方向外側に位置する外辺１７Ａと、外辺１７Ａと径方向に対向する内辺１７Ｂと、外辺１７Ａと内辺１７Ｂとを連結する一対の連結辺１７Ｃ及び１７Ｄとからなる。本実施の形態では、外辺１７Ａ及び内辺１７Ｂはそれぞれ同心の円弧形状を有している。角速度検出用電極１７を振動励起用電極１５のような輪郭形状にすることもできる。ここで、角速度検出用電極を振動励起用電極として、振動励起用電極を角速度検出用電極として用いることもできる。
【００３０】
本実施の形態では、４つの振動励起用電極１５及び４つの角速度検出用電極１７は、ダイアフラム３と重錘５との境界及びダイアフラム３と周辺支持部７との境界に跨がらないように形成されている。このように４つの振動励起用電極１５及び４つの角速度検出用電極１７を形成すると、４つの角速度検出用電極１７からの出力信号の振幅をより大きなものとすることができる。
【００３１】
円柱形状の振動体としての重錘５に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起するためには、４つの振動励起用電極１５に駆動信号を与える。そしてコリオリ力に基づいて重錘５に生じる変位軸の方向の変位を４つの角速度検出用電極１７から検出して、角速度を求める。この角速度センサでは、Ｘ軸及びＺ軸のうちの一方を振動軸、直交する他方を変位軸とし、変位検出部を構成する角速度検出用電極１７からの検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する。またＸ軸周り及びＹ軸周りの角速度を検出するためには、重錘５をＺ方向に振動させることになる。よって、Ｚ軸周りの角速度検出に必要なＸ軸方向及びＹ軸方向の振動が明確になる。またＸ軸回り及びＹ軸回りの角速度検出に必要なＺ軸向の振動も損なわれない。したがってコリオリ力の検出ができて、しかもＺ軸周りの角速度を検出するためにＸ軸方向またはＹ軸方向に重錘を十分に振動させることができる角速度センサとなっている。また、Ｚ軸周りの角速度を検出するためには、重錘５をＸ軸方向またはＹ軸方向に振動させることになる。本実施の形態では、図１（Ａ）のＸ軸方向に重錘を振動させている。
【００３２】
シリコン板１９は、厚さ約０．１ｍｍのシリコンＩＣ基板（例えば振動励起用電気信号を発生させ、角速度検出用電気信号を検出して、角速度を検出する機能を有するものとすることもできる）により構成されており、一辺の長さが約１．７ｍｍの正方形形状の輪郭を有している。シリコン板１９はエポキシ系接着剤２２によりＦＲ４からなるパッケージ２３と一体化されている。本実施の形態では、シリコン板１９とエポキシ系接着剤２２とパッケージ２３とが本発明の振動安定部材２４を構成している。本実施の形態のシリコン板１９とエポキシ系接着剤２２とパッケージ２３とから成る振動安定部２４は、振動体である重錘５の４０倍の重量を有している。
【００３３】
周辺支持部７とシリコン板１９とは、第１の仮想対角面ＣＬ１が通過する２つの領域並びに第２の仮想対角面ＣＬ２が通過する２つの領域に塗布された接着剤２１により接合されている。本実施の形態では特に、周辺支持部７の面ＦＣ１乃至ＦＣ４に接着剤２１が露出しないように、面ＦＣ１乃至ＦＣ４と間隔を空けて接着剤２１が塗布されている。
【００３４】
本実施の形態では、株式会社スリーボンド製のシリコン系導電接着剤を接着剤２１として用いている。この接着剤は、振動周波数が低いときには軟らかく、振動周波数が高いときには固くなる性質を有している。硬化後の接着剤２１は、１０乃至５０μｍの厚みに形成されている。
【００３５】
上記実施の形態のように構成した角速度センサ１について、重錘５の重量と、周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比と、Ｑ値との関係について確認する実験を行った。図３は、本実施の形態の角速度センサ１において、周辺支持部７と振動安定部２４の重量を変更した場合におけるＱ値の値を測定した実験の結果を示すグラフである。この実験は、重錘５の重量Ｗ１と、周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量Ｗ２との比（Ｗ１：Ｗ２）が、１：１０、１：２０、１：３０、１：４０、１：８０及び１：１６０となるように振動安定部２４の重量を定めて、図１のＸ軸方向及びＺ軸方向に振動させた際のＱ値をそれぞれ測定した。Ｘ軸方向に振動させた際のＱ値は、重量比を大きくしていくと大きくなり約６００で飽和している。飽和したＱ値６００から１０％の差までの範囲を使用可能な重量比とした場合には、Ｘ軸方向の振動では、使用可能な重量比は、１：２０以上となる。Ｚ軸方向に振動させた際のＱ値は、重量比を大きくと同様に大きくなり３００で飽和している。飽和したＱ値３００から１０％の差までの範囲を使用可能な重量比とした場合には、Ｚ軸方向の振動では、使用可能な重量比は、１：１０である。そのため、重錘５の重量と周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比重量比が１：２０以上であれば、Ｘ軸方向及びＺ軸方向ともに良好なＱ値が得られる、つまり感度が高くて安定な実用的な角速度センサとすることができることを多くの研究の結果、見出した。また、重錘５の重量と周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比重量比が１：４０以上であれば、Ｘ軸方向及びＺ軸方向ともに飽和したＱ値が得られる。つまり、角速度センサ１では、温度一定で外部から振動などの擾乱が無視できる場合には、重錘５の重量と周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比重量比が１：２０以上、好ましくは１：４０以上あれば安定な動作が実現できることを、多くの研究の結果、初めて見出した。
【００３６】
次に、上記実施の形態のように構成した角速度センサ１について、温度や振動などの外部擾乱が加わったことを考慮した動作の安定化について説明する。角速度センサ１について、接着剤２１の厚みを変更した場合におけるＱ値の値と出力の温度変化を測定する実験を行った。図４は、本実施の形態の角速度センサ１において、接着剤２１の厚みを変更した場合におけるＱ値の値と出力の温度変化を測定した実験の結果を示すグラフである。この実験では、接着剤２１の厚みを５μｍ〜６０μｍの間で変更した。また、角速度センサの温度は、−４０℃〜８５℃の間で変更した。代表例としてＸ軸方向の振動について調べた結果、接着剤２１の厚みが１０μｍより薄い場合には、Ｘ軸方向の振動のＱ値は６００以上であるものの、−４０℃〜８５℃の間で温度を変化させた場合のセンサ出力の変化の割合が５０％を超えてしまう。これは接着剤の厚みが薄いと、熱膨張率の差に起因する各部材の寸法の変化の差が接着層で吸収できず、互いの影響を抑制できていないためである。接着剤２１の厚みが５０μｍより厚くなる場合には、−４０℃〜８５℃の間で温度を変化させた場合の出力の温度変化の割合が４５％以内に収まっているため、熱膨張率の差に起因する各部材の寸法の変化の差の影響を抑制できている。しかしながら、Ｘ軸方向の振動のＱ値が低下し、飽和値６００と１０％以上の差となった。接着剤２１の厚みが１０μｍ乃至５０μｍの場合には、−４０℃〜８５℃の間で温度を変化させた場合の出力の温度変化の割合が４５％以内に収まっており、しかもＱ値の値も安定しており、いずれも飽和したＱ値６００から１０％の差の範囲内にあった。つまり、接着剤２１の厚みが１０μｍ〜５０μｍの場合には、Ｑ値とセンサ出力の温度特性が良好である。Ｚ軸方向の振動についても、Ｑ値の絶対値は異なるが同様なことが言える。なお、ここで示した特性は一例であるが、センサ寸法を約０．５〜３倍にしても同様な結果が得られた。
【００３７】
上記実施の形態では、振動体としての重錘５の重量と、周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比を１：２０以上としているので、重錘５の振動により周辺支持部が動くことを抑制して、周辺支持部７に対して精確に重錘５を振動させることができる。また、周辺支持部７が動くことにより角速度センサ１から外部に振動が漏れることが抑制されており、重錘５の振動のＱ値が低くなることを防止できている。また、シリコン系接着剤の厚みを１０乃至５０μｍにして、周辺支持部７と振動安定部２４とを接合しているので、周波数の低い周辺支持部７の振動は、軟らかい状態の接着剤により吸収され、周波数の高い周辺支持部７の振動は、固くなった状態の接着剤により吸収されることがなく、しかも振動体の振動エネルギーに損失が生じて、重錘５のＱ値が低くなることがない。そのため、本発明によれば、小型化しても、Ｑ値が低下することなく、出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を精確に振動させることができるので、安定して高感度が得られる角速度センサを得ることができる。
【００３８】
また、振動安定部２４はシリコン板１９とエポキシ系接着剤２２とパッケージ２３などの複数部品から構成されているので、積層、縦列などの複合体構造を採ることができる。従って、上記実施の形態は、振動に対するＱ値が低くできる、振動体に対する重量を大きくできる、熱膨張係数を容易に制御できるという優れた特長を有する。振動に対するＱが低いことにより、外部からの不要振動を低減できる。振動体に対する重量を大きくすれば、安定した振動体の振動が得られるので、振動体の振動は高いＱ値が得られる。熱膨張係数の制御が容易なことにより、感度の温度特性を小さくできる。従って、上記実施の形態によれば、デバイスを小型化しても、角速度センサのＱ値が低下することなく、出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を精確に振動させることができるので、安定して正確な、しかも高感度が得られる角速度センサを得ることができる。
【００３９】
また、周辺支持部７の外周の輪郭形状は矩形状を有しており、ダイアフラム３の外形の輪郭形状は八角形状を有しており、振動体５は円柱形状を有しており、それぞれの形状が異なっているので、円柱形状振動体５の振動は八角形状のダイアフラム３に伝わりにくく、八角形状のダイアフラム３の振動は外周輪郭形状が矩形状の周辺支持部７に伝わりにくい。逆の伝播方向の振動も伝わりにくいという特長を持つ。故に、振動体の振動が正確に行われ、振動体の重量と周辺支持部及び振動安定部の合計重量との重量比が１：２０以上と大きく、周波数が低いときには軟らかく周波数が高いときには固くなる接着剤の効果と相まって、小型化しても、Ｑ値が低下することがないのでセンサ感度を高くでき、センサ出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を正確に振動させて正確に角速度を検出することができる角速度センサを提供することができる。
【００４０】
図５（Ａ）は本発明の第２の実施の形態の角速度センサの平面図であり、（Ｂ）はシリコン板を取り除いた状態の底面図である。なお、図５に示す実施の形態においては、図１及び図２の実施の形態と同様の部材に、図１乃至図２に付した符号に１００の数を加えた符号を付して説明を省略する。
【００４１】
この例では、４つの振動励起用電極１１５を、第１の仮想線Ｌ１と第２の仮想線Ｌ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成している。そして４つの角速度検出用電極１１７も、第１の仮想線Ｌ１と第２の仮想線Ｌ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されている。実施の形態では、第１の仮想対角面ＣＬ１及び第２の仮想対角面ＣＬ２がＸ軸の軸線及びＹ軸の軸線とそれぞれ一致している。本実施の形態では、辺Ｓ１〜Ｓ４の長さが、直線部Ｃ１〜Ｃ４の長さよりも長くなるようにダイアフラム１０３が構成されている。そして周辺支持部１０７とシリコン基板１１９とは第１の仮想対角面ＣＬ１及び第２の仮想対角面ＣＬ２上で接着剤１２１により接着されている。本実施の形態では、重錘１０５は、第２の仮想対角面ＣＬ２に沿って振動する。重錘１０５の振動方向の、すなわち第１の仮想対角面ＣＬ１及び第２の仮想対角面ＣＬ２に沿う周辺支持部１０７の幅が第１の実施の形態の角速度センサに比べて大きい。そのため、重錘１０５の振動により周辺支持部１０７が動く方向に接着剤１２１が存在するので、支持部１０７の動きを接着剤１２１で確実に抑制して、外部に振動が漏れることを防止している。
【００４２】
図６（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、図１及び図５の実施の形態の角速度センサを、重錘をＸ軸方向に振動させるように振動励起用電極１１５に駆動信号を与えたときに得られる４つの角速度検出用電極から得られる所定の周波数範囲における出力の一部を示す図である。図６（Ａ）及び（Ｂ）からわかるように、図５の実施の形態の方が、図１の実施の形態に比べて、Ｘ軸方向の振動のピークの周波数とＹ軸方向の振動のピークの周波数がはっきりと区分できている。そのため、図５のように、４つの振動励起用電極１１５と４つの角速度検出用電極１１７の位置関係を定めると、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分が明確にできる信号を４つの角速度検出用電極１１７から確実に得ることができる。
【００４３】
図７（Ａ）は本発明の第３の実施の形態の角速度センサ２０１のシリコン基板２１９を取り除いた状態の底面図であり、（Ｂ）はパッケージ２２３に取り付けた状態を示す図７（Ａ）のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線断面を模式的に示す図である。なお、図７に示す実施の形態においては、図１及び図２に示す第一の実施の形態と同様の部材に、図１乃至図２に付した符号に２００の数を加えた符号を付して説明を省略する。本実施の形態の角速度センサ２０１は、２つのダイアフラム２０３Ａ及び２０３Ｂを備えており、ダイアフラム２０３Ａ及び２０３Ｂの裏面中央部には、円柱形状の重錘２０５Ａ及び２０５Ｂが配置されている。また周辺支持部２０７は、接着剤２２１によりシリコン基板２１９に接合されている。そしてシリコン基板２１９は、エポキシ系の接着剤２２２によりパッケージ２２３に接合されている。
【００４４】
ダイアフラム２０３Ａ及び２０３Ｂの外周部の輪郭形状は、一辺の長さが約０．９５ｍｍの辺の四隅に直線部Ｃ１乃至Ｃ４を有する略八角形形状を有している。ダイアフラム２０３Ａ及び２０３Ｂの重量は、それぞれ０．０８９６ｍｇである。周辺支持部２０７は、１．４６６２ｍｇの重量を有しており、周辺支持部２０７の四隅及び周辺支持部２０７の長手方向の中間の合計６ヶ所がシリコン基板２１９に接着されている。
【００４５】
シリコン基板２１９は、輪郭形状が２．２ｍｍ×２．３ｍｍの矩形形状を有しており、約０．１ｍｍの厚みを有しており、図示しない集積回路が形成されている。シリコン基板２１９は、２．２ｍｍ×２．３ｍｍの矩形形状を有している。本実施の形態では、シリコン基板２１９及びパッケージ２２３が振動安定部材を構成している。シリコン基板２０１９及びパッケージ２２３全体の重量は、５ｍｇである。
【００４６】
本実施の形態では、重錘２０５ＡをＺ軸方向に振動させることによりＸ軸周り（またはＹ軸周り）の角速度を検出する。また、重錘２０５ＡをＸ軸方向（またはＹ軸方向）に振動させることによりＺ軸周りの角速度を検出する。そのため、本実施の形態の角速度センサでは、重錘の振動方向を切り替える必要がないため、角速度センサの応答性能を高めることができる。
【００４７】
また本発明は、上記の実施の形態における各層の寸法や、材料などに限定されるものではないのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の角速度センサによれば、中央部に円柱形状の振動体を有し且つ外形の輪郭形状が八角形状を有するダイアフラム形の振動励起部を支持する外周部の輪郭形状が矩形状を有する周辺支持部に、振動の周波数が低いときには軟らかく、振動の周波数が高いときには固くなる性質を備えた接着剤により振動安定部を接合しているので、周波数の低い周辺支持部の振動は、軟らかい状態の接着剤により吸収され、周波数の高い周辺支持部の振動は、固くなった状態の接着剤により吸収されることがない。また硬化した接着剤の層の厚みを１０乃至５０μｍとしているので、周辺支持部と振動安定部とが一体化され、Ｑ値の値が低くなることがなく、しかも熱膨張率の差に起因する部材間の寸法の変化の影響を抑制でき、角速度センサの出力の温度変化が大きくなることがない。さらに、振動安定部との合計重量が２０倍以上となる周辺支持部が振動安定部と一体化されるので、振動体と周辺支持部との重量比を大きくして、振動体の振動により周辺支持部が動くことを抑制することができる。そのため、周辺支持部に対して正確に振動体を振動させることができる。また、周辺支持部が動くことにより角速度センサから外部に振動が漏れることを抑制することができるので、振動体の振動エネルギーに損失が生じて、振動体のＱ値が低くなることがない。そのため、本発明によれば、小型化しても、Ｑ値が低下することなく、出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を正確に振動させることができる高安定、高感度な角速度センサを得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  角速度センサ
３  ダイアフラム
５  重錘（振動体）
７  周辺支持部
９  絶縁膜
１１  下部電極
１３  圧電薄膜
１５  振動励起用電極
１７  角速度検出用電極
１９  シリコン基板
２１  接着剤
２２  接着剤
２３  パッケージ
２４  振動安定部
【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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