(57)【要約】【課題】振動ジャイロ素子の検出感度を向上させる。【解決手段】振動ジャイロ素子１は、支持部２から延出する１対の駆動用振動腕３ａ，３ｂとそれとは反対側の１対の検出用振動腕４ａ，４ｂとを備え、駆動用振動腕が面内方向に逆向きに屈曲振動する駆動モードと、駆動用振動腕が面外方向に互いに逆向きにかつコリオリ力の作用方向と逆相で屈曲振動し、検出用振動腕が面外方向に互いに逆向きにかつ駆動用振動腕と逆相で屈曲振動する第１の検出モードと、駆動用振動腕が面外方向に互いに逆向きにかつコリオリ力の作用方向と同相で屈曲振動し、検出用振動腕が面外方向に互いに逆向きにかつ駆動用振動腕と同相で屈曲振動する第２の検出モードとを有し、各検出用振動腕が、第１の検出モードと第２の検出モードとにおいて同相で屈曲振動する。【選択図】図２
2013024721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、
前記支持部から並んで延出する複数の駆動用振動腕と、
前記支持部から前記駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する、前記駆動用振動腕と同じ複数の検出用振動腕とを備え、
隣り合う前記複数の駆動用振動腕が、その表裏主面に沿う面内方向に互いに逆向きに屈曲振動する駆動モードと、
前記振動腕の延出方向の周りの回転により作用するコリオリ力によって、前記複数の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向と逆相で屈曲振動し、前記複数の検出用振動腕が前記面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記駆動用振動腕と逆相で屈曲振動する第１の検出モードと、
前記複数の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向と同相で屈曲振動し、前記複数の検出用振動腕が前記面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記駆動用振動腕と同相で屈曲振動する第２の検出モードとを有し、
各前記検出用振動腕が、前記第１の検出モードと前記第２の検出モードとにおいて同相で屈曲振動することを特徴とする振動ジャイロ素子。
【請求項２】
支持部と、
前記支持部から並んで延出する複数の駆動用振動腕と、
前記支持部から前記駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する、前記駆動用振動腕と同じ複数の検出用振動腕とを備え、
隣り合う前記複数の駆動用振動腕が、その表裏主面に沿う面内方向に互いに逆向きに所定の駆動共振周波数ｆdで屈曲振動する駆動モードと、
前記振動腕の延出方向の周りの回転により作用するコリオリ力によって、前記複数の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向と逆相で屈曲振動し、前記複数の検出用振動腕が前記面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記駆動用振動腕と逆相で所定の第１検出共振周波数ｆp1で屈曲振動する第１の検出モードと、
前記複数の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向と同相で屈曲振動し、前記複数の検出用振動腕が前記面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記駆動用振動腕と同相で所定の第２検出共振周波数ｆp2で屈曲振動する第２の検出モードとを有し、
前記共振周波数ｆd，ｆp1，ｆp2が、
ｆp1＜ｆd＜ｆp2、かつ、
０．７×（ｆd−ｆp1）≦ｆp2−ｆd≦１．３×（ｆd−ｆp1）
の関係を満足することを特徴とする振動ジャイロ素子。
【請求項３】
前記駆動用振動腕の長さＬdに関する前記支持部の幅ＷbをＷb／Ｌd≧２の範囲に設定したことを特徴とする請求項２記載の振動ジャイロ素子。
【請求項４】
前記駆動用振動腕の長さＬdに関する前記支持部の幅ＷbをＷb／Ｌd≧２．５の範囲に設定したことを特徴とする請求項３記載の振動ジャイロ素子。
【請求項５】
前記駆動用振動腕の長さＬdに関する前記支持部の幅ＷbをＷb／Ｌd≧３．３の範囲に設定したことを特徴とする請求項４記載の振動ジャイロ素子。
【請求項６】
前記第１検出共振周波数ｆp1と前記駆動共振周波数ｆdとの差である検出離調周波数Δｆdと、前記第２検出共振周波数ｆp2と前記駆動共振周波数ｆdとの差であるスプリアス離調周波数Δｆsとを、ｐｐｍ表示で｜Δｆd−Δｆs｜≦４００００に設定したことを特徴とする請求項２記載の振動ジャイロ素子。
【請求項７】
前記検出離調周波数Δｆdと前記スプリアス離調周波数Δｆsとをｐｐｍ表示で｜Δｆd−Δｆs｜≦１３０００に設定したことを特徴とする請求項６記載の振動ジャイロ素子。
【請求項８】
前記検出離調周波数Δｆdと前記スプリアス離調周波数Δｆsとをｐｐｍ表示で｜Δｆd−Δｆs｜≦１０００に設定したことを特徴とする請求項７記載の振動ジャイロ素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか記載の振動ジャイロ素子を備えることを特徴とするジャイロセンサー。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか記載の振動ジャイロ素子を備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈曲振動片を用いた振動ジャイロ素子、それを用いたジャイロセンサー及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、時計や家電製品、各種情報・通信機器やＯＡ機器等の電子機器には、電子回路のクロック源として圧電振動子、圧電振動片とＩＣチップとを搭載した発振器やリアルタイムクロックモジュール等の圧電デバイスが広く使用されている。また、デジタルスチールカメラ、ビデオカメラ、ナビゲーション装置、車体姿勢検出装置、ポインティングデバイス、ゲームコントローラー、携帯電話、ヘッドマウントディスプレイ等の各種電子機器には、角速度、角加速度、加速度、力等の物理量を検出するために、屈曲振動片を用いた圧電振動ジャイロ等のセンサーが広く使用されている。
【０００３】
例えば、断面正方形の振動腕（音片）の１側面に駆動用の圧電セラミックを接着し、隣接する他の側面に抽出用の圧電セラミックを接着した横振動音片ジャイロが知られている（例えば、特許文献１を参照）。この音片は、駆動用の圧電セラミックに信号を加えることによってＸ方向に屈曲振動し、Ｚ軸周りの回転によりコリオリ力によってＹ方向に屈曲振動すると、抽出用の圧電セラミックに発生する出力によりＺ軸周りの回転の角速度を検出することができる。
【０００４】
また、被駆動対と検知対である２対の叉状部材をベースによって連結した両側音叉型振動片からなる角速度センサーが知られている（例えば、特許文献２を参照）。このような両側音叉型（Ｈ形）振動片からなる振動ジャイロにおいて、振動子のアーム長さ及び幅、圧電素子の長さ及び幅を一定の関係に設定することにより、スプリアスオフセット出力の原因となる第２次モードを抑圧し、安定性の高い検出をできることが知られている（例えば、特許文献３を参照）。この振動ジャイロは、恒弾性合金の振動子の表面に配置した圧電素子によって、振動子の駆動及び検出を行う。
【０００５】
同様の両側音叉型として、基体から＋Ｙ方向に突出する２本の第１振動片と、−Ｙ方向に突出する２本の第２振動片と、基体中央から突出する単一の支持棒とを有する角速度検出装置が知られている（例えば、特許文献４を参照）。第１振動片は駆動モードで面内のＸ方向に逆相で振動し、この状態でＹ方向周りに回転すると、検出モードで第２振動片が面外のＺ方向に逆相で振動する。
【０００６】
特許文献４と同様の構造を有する角速度センサにおいて、一方の振動片ではコリオリ力と同方向に漏れ振動が発生し、他方の振動片ではコリオリ力と逆方向に漏れ振動が発生するように、駆動振動周波数と検出振動周波数とを決定することによって、漏れ振動による電気信号が相殺され、角速度の検出精度が良好になることが知られている（例えば、特許文献５を参照）。この角速度センサは、Ｈ型振動子の各部の寸法を適当に定めることにより、左右上下の振動片が左右逆相かつ上下逆相の第１振動モード、左右及び上下同相の第３振動モード、及び左右逆相かつ上下同相の第２振動モードにおいて、各振動モードの固有振動数ｆ1，ｆ3，ｆ2がこの順に高くなるように設定される。
【０００７】
また、振動ジャイロ素子は、駆動モード及び検出モードとは異なる一定した振動形態のスプリアスモードと呼ばれる不要な振動モードが発生することが知られている（例えば、特許文献６を参照）。駆動モードの振動は、その振動周波数からスプリアスモードの振動周波数を十分に離すことによって安定する。
【０００８】
このようなスプリアスモードの固有共振周波数を利用することによって、温度ドリフトを低減し得る振動型ジャイロスコープが提案されている（例えば、特許文献７を参照）。特許文献７によれば、駆動モードの振動の固有共振周波数ｆｄと検出モードの振動の固有共振周波数ｆｐとの差Δｆを、駆動モードの固有共振周波数ｆｄとスプリアスモードの固有共振周波数ｆｓとの差Δｆｓの１．７倍に近づけることによって、−４０℃−＋８０℃の温度範囲における温度ドリフトが著しく低減する。
【０００９】
また、駆動振動モードの振動の共振周波数ｆｄとスプリアスモードの振動の共振周波数ｆｓとの差（ｆｓ−ｆｄ）の絶対値｜ｆｓ−ｆｄ｜であるスプリアス離調を小さくすることによって、温度ドリフトを低減した振動型ジャイロスコープの振動子が提案されている（例えば、特許文献８を参照）。特許文献８によれば、検出振動部及び／又は駆動振動部の質量や寸法を変化させて、スプリアスモード及び／又は駆動振動の共振周波数を変更することによって、スプリアス離調を制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６１−１９１９１６号公報
【特許文献２】特開昭６４−３１０１５号公報
【特許文献３】特開昭６２−１０６３１４号公報
【特許文献４】特開平１０−５４７２３号公報
【特許文献５】特開平９−３２９４４４号公報
【特許文献６】特開２００３−２１５１８号公報
【特許文献７】特開２００１−８２９６２号公報
【特許文献８】特開２００４−３３３４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
振動ジャイロ素子において、検出感度を高くするためには、検出用振動腕に作用する加振力をより大きくして、その振幅をより大きくすることが必要である。しかしながら、上述した従来の振動ジャイロは、いずれも検出時の振動モードが１つだけであり、検出用振動腕への加振力を増加させて検出感度を向上させることは容易でない。特に、振動ジャイロ素子が小型化すると、それだけ駆動用及び検出用振動腕も小型化されるから、加振力の増加による検出感度の向上は、一層困難になる。
【００１２】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、支持部から並んで延出する複数の駆動用振動腕と、該駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する複数の検出用振動腕とを備える振動ジャイロ素子において、検出用振動腕への加振力を増加させて検出感度の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の振動ジャイロ素子は、上記目的を達成するために、支持部と、該支持部から並んで延出する複数の駆動用振動腕と、支持部から駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する、駆動用振動腕と同じ複数の検出用振動腕とを備え、
隣り合う複数の駆動用振動腕が、その表裏主面に沿う面内方向に互いに逆向きに屈曲振動する駆動モードと、
振動腕の延出方向の周りの回転により作用するコリオリ力によって、複数の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつコリオリ力の作用方向と逆相で屈曲振動し、複数の検出用振動腕が面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ駆動用振動腕と逆相で屈曲振動する第１の検出モードと、
複数の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつコリオリ力の作用方向と同相で屈曲振動し、複数の検出用振動腕が面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ駆動用振動腕と同相で屈曲振動する第２の検出モードとを有し、
各検出用振動腕が、第１の検出モードと第２の検出モードとにおいて同相で屈曲振動することを特徴とする。
【００１４】
このように構成することによって、振動ジャイロ素子の各振動腕は、第１及び第２の検出モードを重畳した振動モードで屈曲振動し、各検出用振動腕は第１又は第２の検出モードのいずれか一方だけで振動する場合よりも、加振力が増大し、振幅が大きくなる。従って、いずれの検出用振動腕の検出電極からも、より高い電圧が出力されるので、振動ジャイロ素子の回転及び角速度等をより高い検出感度で求めることができる。
【００１５】
また、本発明の振動ジャイロ素子は、支持部と、該支持部から並んで延出する複数の駆動用振動腕と、支持部から駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する、駆動用振動腕と同じ複数の検出用振動腕とを備え、
隣り合う複数の駆動用振動腕が、その表裏主面に沿う面内方向に互いに逆向きに所定の駆動共振周波数ｆdで屈曲振動する駆動モードと、
振動腕の延出方向の周りの回転により作用するコリオリ力によって、複数の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつコリオリ力の作用方向と逆相で屈曲振動し、複数の検出用振動腕が面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ駆動用振動腕と逆相で所定の第１検出共振周波数ｆp1で屈曲振動する第１の検出モードと、
複数の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向と同相で屈曲振動し、複数の検出用振動腕が面外方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ駆動用振動腕と同相で所定の第２検出共振周波数ｆp2で屈曲振動する第２の検出モードとを有し、
共振周波数ｆd，ｆp1，ｆp2が、
ｆp1＜ｆd＜ｆp2、かつ、
０．７×（ｆd−ｆp1）≦ｆp2−ｆd≦１．３×（ｆd−ｆp1）
の関係を満足することを特徴とする。
【００１６】
このように共振周波数ｆd，ｆp1，ｆp2を設定することによって、各検出用振動腕が第１の検出モードと第２の検出モードとにおいて同相で屈曲振動し、かつ第１及び第２の検出モードの振動により各検出用振動腕に作用する加振力を増大させ、検出感度を高めることができる。
【００１７】
或る実施例では、駆動用振動腕の長さＬdに関する支持部の幅ＷbをＷb／Ｌd≧２の範囲に設定することによって、振動ジャイロ素子の検出感度を１．１５倍以上に増幅することができる。
【００１８】
別の実施例では、駆動用振動腕の長さＬdに関する支持部の幅ＷbをＷb／Ｌd≧２．５の範囲に設定することによって、振動ジャイロ素子の検出感度を１．２５倍以上に増幅することができる。
【００１９】
更に別の実施例によれば、駆動用振動腕の長さＬdに関する支持部の幅ＷbをＷb／Ｌd≧３．３の範囲に設定することによって、振動ジャイロ素子の検出感度を１．３５倍以上に増幅することができる。
【００２０】
また、或る実施例では、第１検出共振周波数ｆp1と駆動共振周波数ｆdとの差である検出離調周波数Δｆdと、第２検出共振周波数ｆp2と駆動共振周波数ｆdとの差であるスプリアス離調周波数Δｆsとを、ｐｐｍ表示で｜Δｆd−Δｆs｜≦４００００に設定することによって、振動ジャイロ素子の検出感度を１．１５倍以上に増幅することができる。
【００２１】
別の実施例では、検出離調周波数Δｆdとスプリアス離調周波数Δｆsとをｐｐｍ表示で｜Δｆd−Δｆs｜≦１３０００に設定することによって、振動ジャイロ素子の検出感度を１．２５倍以上に増幅することができる。
【００２２】
更に別の実施例によれば、検出離調周波数Δｆdとスプリアス離調周波数Δｆsとをｐｐｍ表示で｜Δｆd−Δｆs｜≦１０００に設定することによって、振動ジャイロ素子の検出感度を１．３５倍以上に増幅することができる。
【００２３】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の振動ジャイロ素子を備えることによって、検出感度の高いジャイロセンサーを提供することができる。
【００２４】
更に本発明の別の側面によれば、上述した本発明の振動ジャイロ素子を備えることによって、検出感度の高いジャイロセンサー等のセンサー装置を備えた高性能かつ高精度な電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例の振動ジャイロ素子及びその駆動モードにおける振動モードを示す平面図。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）図は、図１の振動ジャイロ素子の第１，第２検出モードにおける振動モードをそれぞれ示す説明図。
【図３】第１実施例の離調周波数差Δｆ対検出感度増幅度の関係を示す線図。
【図４】第１実施例の変形例の振動ジャイロ素子の平面図。
【図５】図４の変形例における支持部の幅と駆動用振動腕の長さとの寸法比対検出感度増幅度の関係を示す線図。
【図６】（Ａ）図は本発明の第２実施例の振動ジャイロ素子及びその駆動モードにおける振動モードを示す平面図、（Ｂ）、（Ｃ）図は、その第１，第２検出モードにおける振動モードをそれぞれ示す説明図。
【図７】（Ａ）図は図１の振動ジャイロ素子の製造過程において水晶ウエハ上に形成した金属マスクを示す平面図、（Ｂ）図はそのVII−VII線における拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、添付図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付して示す。
【００２７】
図１は、例えば角速度センサーに使用される本発明の第１実施例の振動ジャイロ素子１を概略的に示している。振動ジャイロ素子１は両側音叉型屈曲振動片からなり、中央の概ね矩形の支持部２と、該支持部から一方の側に並んで平行に延出する１対の駆動用振動腕３ａ，３ｂと、それとは反対側に並んで平行に延出する１対の検出用振動腕４ａ，４ｂとを有する。前記各振動腕は、その長さを短くしても高次振動モードの発生を抑制して振動周波数を安定させ得るように、それぞれ先端に錘部５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂが設けられている。各駆動用振動腕３ａ，３ｂと支持部２及び錘部５ａ，５ｂとの結合部には、左右両側に振動腕側に向けて狭幅のテーパ部７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂがそれぞれ形成されている。同様に、各検出用振動腕４ａ，４ｂと支持部２及び錘部６ａ，６ｂとの結合部には、左右両側に振動腕側に向けて狭幅のテーパ部９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂがそれぞれ形成されている。
【００２８】
駆動用振動腕３ａ，３ｂには、駆動モードにおいて該駆動用振動腕をその表裏主面に沿う例えば該主面に平行なＸＹ面内で屈曲振動させるために、駆動電極（図示せず）が形成されている。検出用振動腕４ａ，４ｂには、検出モードにおいて該検出用振動腕がその表裏主面に交わる例えば該主面に垂直なＺ軸方向に屈曲振動する際に発生する電位差を検出するために、検出電極（図示せず）が形成されている。駆動モードにおいて、前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、駆動用振動腕３ａ，３ｂは、図１に矢示するようにＸＹ面内で互いに逆向きに即ち接近離反する向きに屈曲振動する。
【００２９】
この状態で振動ジャイロ素子１が長手方向のＹ軸周りに回転すると、その角速度に応じて発生するコリオリ力の作用により、前記駆動用振動腕は前記主面に垂直な面外方向即ちＺ軸方向に互いに逆向きに即ち逆相で屈曲振動する。これに共振して、検出モードで、検出用振動腕４ａ，４ｂが同じくＺ軸方向に互いに逆向きに屈曲振動する。
【００３０】
本実施例の振動ジャイロ素子１は２つの検出モードを有する。第１の検出モードでは、図２（Ａ）に示すように、駆動用振動腕３ａ，３ｂが前記面外方向に即ちＺ軸方向に、コリオリ力の作用方向１１ａ，１１ｂに関して逆相でかつ互いに逆向きに屈曲振動する。これにより、検出用振動腕４ａ，４ｂはＺ軸方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ駆動用振動腕３ａ，３ｂとは逆相で屈曲振動する。これは、一般に振動ジャイロ素子において角速度等の検出に通常利用されている振動モードである。
【００３１】
第２の検出モードでは、図２（Ｂ）に示すように、駆動用振動腕３ａ，３ｂがＺ軸方向に、コリオリ力の作用方向１１ａ，１１ｂに関して同相でかつ互いに逆向きに屈曲振動する。これにより、検出用振動腕４ａ，４ｂはＺ軸方向に、隣り合う振動腕同士互いに逆向きにかつ駆動用振動腕３ａ，３ｂとは同相で屈曲振動する。これは、一般に角速度等の検出に不要なスプリアス振動として排除されている振動モードである。
【００３２】
この結果、振動ジャイロ素子１の前記各振動腕は、第１及び第２の検出モードを重畳した振動モードで屈曲振動する。各駆動用振動腕３ａ，３ｂは、それぞれ第１の検出モードと第２の検出モードとにおいて逆相で屈曲振動する。これに対し、各検出用振動腕４ａ，４ｂは、それぞれ第１の検出モードと第２の検出モードとにおいて同相で屈曲振動するから、第１又は第２の検出モードのいずれか一方だけで振動する場合よりも、加振力が増大し、振幅が大きくなる。従って、いずれの検出用振動腕４ａ，４ｂであっても、前記検出電極からより高い電圧の電気信号が得られ、振動ジャイロ素子１の前記回転及び角速度等がより高い検出感度で求められる。
【００３３】
ここで、駆動用振動腕３ａ，３ｂが駆動モードにおいて前記面内方向に屈曲振動する駆動共振周波数をｆdとし、検出用振動腕４ａ，４ｂが、第１の検出モードにおいて屈曲振動する第１検出共振周波数をｆp1、第２の検出モードにおいて屈曲振動する第２検出共振周波数をｆp2とする。本実施例によれば、前記駆動、第１検出及び第２検出共振周波数がｆp1＜ｆd＜ｆp2を満足するように設定する。これにより、上述した第１の検出モードと第２の検出モードとを同時に発生させることができる。
【００３４】
駆動共振周波数ｆd＝５０kHzとし、第１及び第２検出共振周波数ｆp1、ｆp2を駆動共振周波数ｆdの前後で変化させて、振動ジャイロ素子１の検出感度Ｇを測定した。検出感度Ｇは、振動ジャイロ素子１のＹ軸周りの回転角速度をω（dps）、検出用振動腕４ａ，４ｂの前記検出電極間に発生する電位差をＶs（mＶ）としたとき、Ｇ＝Ｖs／ω（mＶ／dps）で表される。その測定結果を以下の表１に示す。
【００３５】
【表１】
2013024721.tif 000003
【００３６】
表１において、実施例１〜３は、本実施例の振動ジャイロ素子１の検出感度Ｇを表している。これに対し、比較例１〜３は、第１及び第２検出共振周波数ｆp1、ｆp2を駆動共振周波数ｆdに関して正側又は負側の一方に設定した場合の検出感度Ｇである。同表に示すように、前記駆動、第１検出及び第２検出共振周波数をｆp1＜ｆd＜ｆp2に設定し、ｆp1及びｆp2をそれぞれ正負両側からｆdに近付けることによって、検出感度がより高くなった。
【００３７】
特に、第１検出共振周波数ｆp1と駆動共振周波数をｆdとの差である検出離調周波数Δｆd＝｜ｆd−ｆp1｜、及び第２検出共振周波数ｆp2と駆動共振周波数をｆdとの差であるスプリアス離調周波数Δｆs＝｜ｆd−ｆp2｜をそれぞれ１kHzにしたとき、検出感度Ｇが最大となった。これら測定結果から、本実施例によれば、更に
０．７×（ｆd−ｆp1）≦ｆp2−ｆd≦１．３×（ｆd−ｆp1）
の関係を満足することにより、高い検出感度が得られる。
【００３８】
更に、検出離調周波数Δｆdとスプリアス離調周波数Δｆsとの離調周波数差Δｆ＝｜Δｆd−Δｆs｜と検出感度の増幅度との関係をシミュレーションした。図３は、そのシミュレーション結果を示している。同図において、横軸は、離調周波数差Δｆをｐｐｍ表示でΔｆ＝８６１〜２２７８６５（ppm）の範囲で示している。縦軸は、第１の検出モードのみを用いた通常の場合の検出感度に対する本実施例の検出感度の増幅度である。
【００３９】
同図に示すように、離調周波数差Δｆが小さいほど、検出感度の増幅度は高く、即ち検出感度は顕著に高くなっている。同図において、駆動共振周波数ｆd＝５０．５８１kHz、第１検出共振周波数ｆp1＝４９．０７６kHz、第２検出共振周波数ｆp2＝５２．０４２kHzのとき、離調周波数差Δｆ＝８６１ppmで検出感度の増幅度が最大となった。
【００４０】
このシミュレーション結果から、離調周波数差Δｆ＝｜Δｆd−Δｆs｜≦４００００（ppm）において、１．１５以上の検出感度増幅度が得られた。また、離調周波数差Δｆ≦１３０００において通常よりも１．２５倍以上の検出感度を、更に離調周波数差Δｆ≦１０００において通常よりも１．３５倍以上の検出感度を得られることが分かった。
【００４１】
第２の検出モード即ちスプリアスモードの第２検出共振周波数ｆp2は、振動ジャイロ素子１の検出側の寸法、例えば検出用振動腕４ａ，４ｂの幅、又は該振動腕が延出する支持部２の幅を変更することによって、変化させることができる。前記検出用振動腕の幅を小さくすると、第２検出共振周波数ｆp2は上昇する。支持部２の幅を大きくすると、第２検出共振周波数ｆp2は減少する。
【００４２】
図４は、第１実施例の支持部２の幅を拡大した変形例の振動ジャイロ素子１１を示している。振動ジャイロ素子１１において、駆動用振動腕３ａ，３ｂの長さＬdと支持部１２の幅Ｗbとの寸法比に関する検出感度増幅度の変化をシミュレーションした。前記駆動用振動腕の長さＬdは、図４に示すように、該振動腕の全長から錘部５ａ，５ｂ及びテーパ部７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの長さを除いた、その共振周波数を直接決定する部分の長さとした。
【００４３】
図５は、そのシミュレーション結果を示している。同図において、横軸は、駆動用振動腕長さＬd及び支持部１２の長さを一定としかつ支持部幅Ｗbを変化させて、寸法比をＷb／Ｌd＝０．９３〜３．３９の範囲で示している。縦軸は、同様に第１の検出モードのみを用いた通常の場合の検出感度に対する本実施例の検出感度の増幅度である。同図に示すように、寸法比Ｗb／Ｌdが大きいほど、即ち支持部幅Ｗbが大きいほど、検出感度の増幅度は概ね直線状に上昇し、検出感度は顕著に高くなっている。
【００４４】
このシミュレーション結果から、寸法比Ｗb／Ｌd≧２．０において１．１５以上の検出感度増幅度が得られた。また、寸法比Ｗb／Ｌd≧２．５において通常よりも１．２５倍以上の検出感度を、更に寸法比Ｗb／Ｌd≧３．３において通常よりも１．３５倍以上の検出感度を得られることが分かった。
【００４５】
本発明は、２本以上の複数の駆動用振動腕及び検出用振動腕を有する振動ジャイロ素子についても、同様に適用することができる。
【００４６】
図６は、本発明の第２実施例である三脚型屈曲振動片からなる振動ジャイロ素子２１を概略的に示している。振動ジャイロ素子２１は、矩形の支持部２２と、該支持部から並んで平行に延長する３本の駆動用振動腕２３ａ〜２３ｃと、それとは反対側に並んで平行に延出する３本の検出用振動腕２４ａ〜２４ｃとを有する。本実施例においても、前記各振動腕に第１実施例の錘部５ａ〜６ａ，５ｂ〜６ｂ及びテーパ部７ａ〜１０ａ，７ｂ〜１０ｂと同様の錘部及びテーパ部を設けることができる。
【００４７】
駆動用振動腕２３ａ〜２３ｃには、駆動モードにおいて該駆動用振動腕をその表裏主面に沿う例えば該主面に平行なＸＹ面内で屈曲振動させるために、駆動電極（図示せず）が形成されている。検出用振動腕２４ａ〜２４ｃには、検出モードにおいて該検出用振動腕がその表裏主面に交わる例えば該主面に垂直なＺ軸方向に屈曲振動する際に発生する電位差を検出するために、検出電極（図示せず）が形成されている。駆動モードにおいて、前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、駆動用振動腕２３ａ〜２３ｃは、図６（Ａ）に矢示するようにＸＹ面内で、隣り合う振動腕同士互いに逆向きに即ち接近離反する向きに屈曲振動する。
【００４８】
この状態で振動ジャイロ素子２１が長手方向のＹ軸周りに回転すると、その角速度に応じて発生するコリオリ力の作用により、前記駆動用振動腕は前記主面に垂直な面外方向即ちＺ軸方向に互いに逆向きに即ち逆相で屈曲振動する。これに共振して、検出モードで、検出用振動腕２４ａ〜２４ｃが同じくＺ軸方向に互いに逆向きに屈曲振動する。
【００４９】
本実施例の振動ジャイロ素子２１も同様に２つの検出モードを有する。第１の検出モードでは、図６（Ｂ）に示すように、駆動用振動腕２３ａ〜２３ｃがＺ軸方向に、コリオリ力の作用方向に関して左右両側の振動腕２３ａ，２３ｃが同相で、中央の振動腕２３ｂが逆相で屈曲振動する。これにより、検出用振動腕２４ａ〜２４ｃはＺ軸方向に、それぞれ図中上下方向に対応する駆動用振動腕２３ａ〜２３ｃと逆相で屈曲振動する。これは、一般に振動ジャイロ素子において角速度等の検出に通常利用されている振動モードである。
【００５０】
第２の検出モードでは、図６（Ｃ）に示すように、駆動用振動腕２３ａ〜２３ｃがＺ軸方向に、コリオリ力の作用方向に関して左右両側の振動腕２３ａ，２３ｃが逆相で、中央の振動腕２３ｂが同相で屈曲振動する。これにより、検出用振動腕２４ａ〜２４ｃはＺ軸方向に、それぞれ図中上下方向に対応する駆動用振動腕２３ａ〜２３ｃと同相で屈曲振動する。これは、一般に角速度等の検出に不要なスプリアス振動として排除されている振動モードである。
【００５１】
この結果、振動ジャイロ素子２１の前記各振動腕は、第１及び第２の検出モードを重畳した振動モードで屈曲振動する。各駆動用振動腕２３ａ〜２３ｃは、それぞれ第１の検出モードと第２の検出モードとにおいて逆相で屈曲振動する。これに対し、各検出用振動腕２４ａ〜２４ｃは、それぞれ第１の検出モードと第２の検出モードとにおいて同相で屈曲振動するから、第１又は第２の検出モードのいずれか一方だけで振動する場合よりも、振幅が大きくなる。従って、いずれの前記検出用振動腕であっても、前記検出電極からより高い電圧の電気信号が得られるので、振動ジャイロ素子２１の前記回転及び角速度等がより高い検出感度で求められる。
【００５２】
上記各実施例の振動ジャイロ素子は、例えば水晶ウエハから以下の加工方法を用いて高精度に製造することができる。先ず、水晶ウエハの表裏全面に例えばＣｒの上にＡｕを積層した２層構造の金属膜を形成し、その上にフォトレジストを塗布しかつこれを露光、現像して振動ジャイロ素子１の外形に対応したレジストパターンに形成する。前記レジストパターンから露出した前記金属膜をウエットエッチングして、前記水晶ウエハの表裏両面に金属パターンを形成する。
【００５３】
図７（Ａ）（Ｂ）は、このようにして水晶ウエハ３１の表裏両面に形成した金属パターン３２を示している。同図において、想像線３３ａ，３３ｂは、振動ジャイロ素子１の駆動用振動腕３ａ，３ｂから錘部５ａ〜６ａ，５ｂ〜６ｂ及びテーパ部７ａ〜１０ａ，７ｂ〜１０ｂを除いた左右側辺を表している。金属パターン３２は、駆動用振動腕３ａ，３ｂの左右側辺３３ａ，３３ｂに対応する部分が所望の位置よりも外側に僅かに広く形成されている。
【００５４】
次に、図７（Ｂ）に示すように、レーザー光３４を水晶ウエハ３１の表面又は裏面のいずれか片側から照射して、駆動用振動腕３ａ，３ｂの左右側辺３３ａ，３３ｂに対応する前記部分のみをアブレーション加工する。レーザー光は透明なかつ薄い水晶ウエハ３１を透過するので、該ウエハ表裏両面の金属パターン３２，３２を同時に、かつ表裏でアライメントずれを実質的に生じることなく正確に加工することができる。
【００５５】
特に、左右の駆動用振動腕３ａ，３ｂの間隔Ｄdを、図７（Ａ）に示すように、レーザー光３４のスポット径ＲLと一致させるのが好ましい。これにより、前記駆動用振動腕の隣り合う側辺３３ａ，３３ｂに沿って一方向にレーザー光３４を一回走査するだけで、表裏両面の金属パターン３２，３２の前記両側辺に対応する部分を同時に加工することができる。
【００５６】
次に、このように加工した金属パターンをマスクとして前記水晶ウエハをウエットエッチングし、振動ジャイロ素子１の外形形状を有する素子片を形成する。得られた前記素子片の表面に電極膜を被着させ、フォトエッチング技術を用いてパターニングし、前記駆動電極、検出電極、及びこれら電極から引き出される配線等を形成する。
【００５７】
本実施例によれば、このようにして表裏両面の金属パターン３２，３２の前記駆動用振動腕の左右側辺３３ａ，３３ｂに対応する前記部分について、表裏のアライメントをより正確に合わせることができるので、駆動用振動腕３ａ，３ｂをより所望の矩形形状に近い断面形状に加工することができる。また、表裏両面の金属パターン３２，３２の特定の部分のみをレーザー光で加工するので、工程全体として、前記金属パターン全体をレーザー光で加工する場合に比して、加工時間を大幅に短縮しかつ加工コストを低減することができる。
【００５８】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、本発明の振動ジャイロ素子は、水晶以外にタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や、ジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス等の圧電材料、又はシリコン半導体材料から形成することができる。また、本発明の振動ジャイロ素子は、上述したように圧電素子を利用した圧電駆動式のものに限らず、静電引力を利用した静電駆動式、電磁力（ローレンツ力）による磁気駆動式、交流電圧の印加によるクーロン力で駆動する方式等、各種駆動方式のものを採用することができる。
【００５９】
更に本発明は、前記振動ジャイロ素子を適当なパッケージ等に実装することによって、ジャイロセンサーに適用することができる。更に、このジャイロセンサーを搭載することによって、デジタルスチールカメラ、ビデオカメラ、ナビゲーション装置、車体姿勢検出装置、ポインティングデバイス、ゲームコントローラー、携帯電話、ヘッドマウントディスプレイ等の電子機器に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１，１１，２１…振動ジャイロ素子、２，１２，２２…支持部、３ａ，３ｂ，２３ａ〜２３ｃ…駆動用振動腕、４ａ，４ｂ，２４ａ〜２４ｃ…検出用振動腕、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ…錘部、７ａ〜１０ａ，７ｂ〜１０ｂ…テーパ部、３１…水晶ウエハ、３２…金属パターン、３３ａ，３３ｂ…想像線、側辺、３４…レーザー光。
【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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