(57)【要約】【課題】圧電薄膜の電界依存性に基づいて駆動することによりＳ／Ｎの良い角速度センサを提供することを目的とする。【解決手段】振動体と、振動体に設けられ振動体を励振駆動させる駆動部と、振動体に発生するコリオリ力を検出する検出部を備え、駆動部に印加する印加電圧に対する圧電定数ｄ３１の印加電圧依存性において、微小な電位差をａＶ／ｍとし、第１の印加電圧を任意に決定し、第１の印加電圧に対する圧電定数を第１の圧電定数ｄ３１、第１の印加電圧よりａＶ／ｍ大きい第２の印加電圧に対する圧電定数を第２の圧電定数ｄ３１、第２の印加電圧よりａＶ／ｍ大きい第３の印加電圧に対する圧電定数を第３の圧電定数ｄ３１としたとき、｜第２の圧電定数ｄ３１−第１の圧電定数ｄ３１｜／｜第３の圧電定数ｄ３１−第２の圧電定数ｄ３１｜が極大となる第２の印加電圧以上の電圧を印加して駆動、または極小となる第２の印加電圧以下の電圧を印加して駆動する。【選択図】図４
2013217872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体と、
前記振動体に設けられ前記振動体を励振駆動させる駆動部と、
前記振動体に発生するコリオリ力を検出する検出部を備え、
前記駆動部は下部電極薄膜、圧電薄膜、上部電極薄膜を積層して形成され、
前記圧電薄膜に印加する印加電圧に対する圧電定数ｄ３１の印加電圧依存性において、微小な電位差をａＶ／ｍとし、第１の印加電圧を任意に決定し、前記第１の印加電圧に対する圧電定数を第１の圧電定数ｄ３１、前記第１の印加電圧よりａＶ／ｍ大きい第２の印加電圧に対する圧電定数を第２の圧電定数ｄ３１、前記第２の印加電圧よりａＶ／ｍ大きい第３の印加電圧に対する圧電定数を第３の圧電定数ｄ３１としたとき、
｜第２の圧電定数ｄ３１−第１の圧電定数ｄ３１｜／｜第３の圧電定数ｄ３１−第２の圧電定数ｄ３１｜
が極大となる第２の印加電圧以上の電圧を印加して駆動する、または極小となる第２の印加電圧以下の電圧を印加して駆動することを特徴とした角速度センサ。
【請求項２】
前記角速度センサを駆動する電界強度の範囲を、
｜第２の圧電定数ｄ３１−第１の圧電定数ｄ３１｜／｜第３の圧電定数ｄ３１−第２の圧電定数ｄ３１｜
が極大となる第２の印加電圧以上の電圧を印加して駆動する場合を第１の駆動範囲とし、
｜第２の圧電定数ｄ３１−第１の圧電定数ｄ３１｜／｜第３の圧電定数ｄ３１−第２の圧電定数ｄ３１｜
が極小となる第２の印加電圧以下の電圧を印加して駆動する場合を第２の駆動範囲としたとき、
前記第１の駆動範囲または前記第２の駆動範囲における前記圧電薄膜への印加電圧の最大値が２．０×１０-6Ｖ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記角速度センサを駆動する前記第１の駆動範囲または前記第２の駆動範囲において、
前記圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の印加電圧依存性をあらわす、
｜圧電定数ｄ３１の最大値−圧電定数ｄ３１の最小値｜／｜圧電定数ｄ３１の最大値｜
の値が０．１０以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記角速度センサを駆動する前記第１の駆動範囲または前記第２の駆動範囲において、
その電界強度の最小値が０×１０-6Ｖ／ｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記圧電薄膜が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の薄膜材料からなり、
その組成がＰｂ1+X（ＺｒY、Ｔｉ(1-Y)）Ｏ3±Z（Ｘ＝０〜０．３、Ｙ＝０．４〜０．６、Ｚ≦０．３）を主成分とする圧電薄膜材料であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記ＰＺＴ系の圧電薄膜が、菱面体晶構造あるいは正方晶構造であり、
その結晶面が基板に対して平行な面に、（００１）面または（１００）面に配向し、
その配向率である、
（（００１）ピークまたは（１００）ピークの強度）／（ＰＺＴの全てのピークの強度の和）
が９０％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記下部電極薄膜は、
少なくとも白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）を含む貴金属と、チタン（Ｔｉ）との積層構造か、または合金薄膜であることを特徴とする請求項１〜６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、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度を検出する角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の角速度を検出する角速度センサについて説明する。
【０００３】
図１０は、角速度センサの原理説明用の斜視図である。図１０において、角速度センサ１０１は、シリコンなどの非圧電材料からなる音叉１０２、アーム１０３、アーム１０４、基部１０５、アーム１０３の上に設けられた下部電極１０６、アーム１０４の上に設けられた下部電極１０７、下部電極１０６の上に設けられた圧電薄膜１０８、下部電極１０７の上に設けられた圧電薄膜１０９、圧電薄膜１０８の上に設けられた上部電極１１０及び上部電極１１１、圧電薄膜１０９の上に設けられた上部電極１１２及び上部電極１１３で構成されている。そして、上部電極１１０、１１１、１１２、１１３に交流電圧を印加することにより音叉１０２が共振する。
【０００４】
上述の角速度センサ１０１の音叉１０２は、直交する２つの振動モード（Ｘ方向の振動モードとＺ方向の振動モード）を有している。音叉１０２は、その一方の振動モード（例えばＸ方向の振動モード）のみが駆動される。この状態で、上述の直交する２つの振動モードの軸（Ｘ軸、Ｚ軸）と互いに直交する軸（Ｙ軸）を中心に回転角速度が印加された時、音叉１０２はコリオリ力によってもう一方（Ｚ方向）の振動モードが励振される。角速度センサ１０１は、この原理を利用している。
【０００５】
この角速度を検知するため、角速度センサには検出電極（図示せず）が設置されている。図１１は、従来の角速度センサの斜視図であり、図１２は、図１１に示された角速度センサのＡ−ＡＡ線断面図である。図１１の矢印Ｘ、矢印Ｙ、矢印Ｚはそれぞれお互いに直交する３つの方向を示している。また、以降の説明では、矢印Ｘ、矢印Ｙ、矢印Ｚはそれぞれ方向Ｘ、方向Ｙ、方向Ｚとも記載される。図１１、図１２に示すように、平行な２本のアーム１２１及びアーム１２２と、この２本のアーム１２１及びアーム１２２を連結する基部１２３を有した振動体としての音叉１２４は、非圧電材料のシリコンからなる。第１の電極１３０はアーム１２１の主面１２５上にあって、アーム１２１の中心線１２８の内側に設けられている。第２の電極１３１はアーム１２１の主面１２５上にあって、中心線１２８の外側に設けられている。第１の電極１３０と第２の電極１３１はそれぞれ離間されている。第１の電極１３２はアーム１２２の主面１２５上にあって、アーム１２２の中心線１２９の内側に設けられている。第２の電極１３３はアーム１２２の主面１２５上にあって、中心線１２９の外側に設けられている。第１の電極１３２と第２の電極１３３はそれぞれ離間されている。第１の圧電薄膜１３４、１３６はそれぞれ中心線１２８、１２９の内側にあって、かつ、第１の電極１３０、１３２上にそれぞれ設けられている。第２の圧電薄膜１３５、１３７はそれぞれ中心線１２８、１２９外側にあって、かつ、第２の電極１３１、１３３上にそれぞれ設けられている。第３の電極１３８、１４０は第１の圧電薄膜１３４、１３６の上にそれぞれ設けられている。第４の電極１３９、１４１は第２の圧電薄膜１３５、１３７の上にそれぞれ設けられている。
【０００６】
以上の第１の電極１３０、１３２、第２の電極１３１、１３３、第１の圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７、第３の電極１３８、１４０、第４の電極１３９、１４１により駆動部が構成されている。
【０００７】
第５の電極１４２はアーム１２１の主面１２５上であって基部１２３よりの側に設けられている。かつ、第５の電極１４２は、第１の電極１３０と第２の電極１３１に対して離間して設けられている。第６の電極１４３は、第５の電極１４２上に設けられた第３の圧電薄膜１４６上に設けられている。尚、第３の圧電薄膜１４６は、図１１では第６の電極１４３で隠れていて見えていない。同じく、第５の電極１４４はアーム１２２の主面１２５上であって基部１２３よりの側に設けられている。かつ、第５の電極１４４は、第１の電極１３２と第２の電極１３３に対して離間して設けられている。第６の電極１４５は、第５の電極１４４上に設けられた第３の圧電薄膜１４７上に設けられている。尚、第３の圧電薄膜１４７は、図１１では第６の電極１４５で隠れていて見えていない。
【０００８】
以上の第５の電極１４２、１４４、第３の圧電薄膜１４６、１４７（見えていない）、第６の電極１４３、１４５により検知部が構成されている。上述の様にして、角速度センサ１５０が構成されている。
【０００９】
次に、角速度センサ１５０の動作原理について説明する。
【００１０】
図１１、図１２において、第１の電極１３０と第３の電極１３８との間、第１の電極１３２と第３の電極１４０との間、第２の電極１３１と第４の電極１３９との間、第２の電極１３３と第４の電極１４１との間にそれぞれ２０Ｖ程度の直流電圧を印加すると、第１圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７の分極はそれぞれ一定方向に揃う。同じく、第５の電極１４２と第６の電極１４３との間、第５の電極１４４と第６の電極１４５との間にそれぞれ２０Ｖ程度の直流電圧を印加すると、第３の圧電薄膜１４６、１４７の分極は一定方向に揃う。
【００１１】
例えば、第１の電極１３０、１３２、第２の電極１３１、１３３、及び第５の電極１４２、１４４が高電位側になるように直流電圧を印加すると、第１の圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７及び第３の圧電薄膜１４６、１４７の分極の方向は、第１の電極１３０、１３２、第２の電極１３１、１３３及び第５の電極１４２、１４４から第３の電極１３８、１４０、第４の電極１３９、１４１及び第６の電極１４３、１４５の方向に向く。この分極方向は、上述の直流電圧の印加を止めても一定方向のままで維持される。これは自発分極と呼ばれる。第１の圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７及び第３の圧電薄膜１４６、１４７がこのような自発分極を持つとき、第３の電極１３８、１４０、第４の電極１３９、１４１及び第６の電極１４３、１４５が第１の電極１３０、１３２、第２の電極１３１、１３３及び第５の電極１４２、１４４よりも高電位の場合は、第１の圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７及び第３の圧電薄膜１４６、１４７はそれぞれの分極の方向が緩和する方向に動く。従って、第１の圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７及び第３の圧電薄膜１４６、１４７は分極と平行な方向に縮み、垂直な方向に伸びる。逆に、第３の電極１３８、１４０、第４の電極１３９、１４１及び第６の電極１４３、１４５が第１の電極１３０、１３２、第２の電極１３１、１３３及び第５の電極１４２、１４４よりも低電位の場合は、第１の圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７及び第３の圧電薄膜１４６、１４７は分極と平行な方向に伸び、垂直な方向に縮む。
【００１２】
したがって、第１の電極１３０をＧＮＤ電極又は仮想ＧＮＤ電極とし、第３の電極１３８に交流電圧を印加すると、第１の圧電薄膜１３４はＹ軸方向に伸び縮みする。以上は、アーム１２１上の内側に設けられた駆動部について説明したが、アーム１２１上の外側に設けられた駆動部、アーム１２２上の内側、外側に設けられた駆動部についても同様な動作をする。
【００１３】
また、図１１、図１２に示す第３の電極１３８と第４の電極１３９に互いに位相が１８０°異なる交流電圧を印加することで、第１の圧電薄膜１３４が伸びる時に第２の圧電薄膜１３５は縮む。逆に、第１の圧電薄膜１３４が縮む時に第２の圧電薄膜１３５は伸びる。
【００１４】
以上の原理に基づき、第３の電極１３８、１４０に同位相、第４の電極１３９、１４１に対しては第３の電極１３８、１４０と逆位相の交流電圧を印加すると、アーム１２１とアーム１２２は互いに逆方向（Ｘ方向）に音叉振動する。
【００１５】
また、アーム１２１、１２２は形状に依存した固有共振周波数を有している。第３の電極１３８、１４０、第４の電極１３９、１４１に印加する交流電圧の周波数をこの形状の固有の共振周波数と同じにすれば、アーム１２１、１２２はＸ方向（駆動方向）へ駆動共振させられる。Ｘ方向（駆動方向）で共振している状態でＹ軸の回りに角速度が印加されると、アーム１２１、１２２はコリオリ力によりＺ方向（検出方向）に互いに逆向きに撓む。この撓みによりアーム１２１、１２２上にそれぞれ設けられている第３の圧電薄膜１４６、１４７には、それぞれ逆向きの電荷が発生する。この逆向きの電荷を第６の電極１４３、１４５が検出することにより、印加された角速度に対応した出力が得られる。
【００１６】
また、圧電薄膜の性能は圧電定数ｄ３１で表される。角速度センサの圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性グラフを図１３に示す。図１３の圧電定数ｄ３１と電界強度のヒステリシスループ図に示す様に、通常は印加する電圧（電界強度）によって変化し、一般的には電界強度が大きい程、圧電定数ｄ３１も大きくなる傾向を示す。
【００１７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１および特許文献２が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第５４３８２３１号明細書
【特許文献２】特許第３８０７４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上記の様な角速度センサ１５０の構成において、印加された角速度に対して信頼性の高い検出信号を得るためには、第１の圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７、第３の圧電薄膜１４６、１４７の性能が高く、安定していることが必要である。圧電薄膜に電圧を印加した時に、膜が変位する量が大きい程、性能が高いことになるが、その性能をあらわす指標が圧電定数ｄ３１である。この圧電定数ｄ３１は、通常は印加する電圧（電界強度）によって変化し、一般的には電界強度が大きい程、圧電定数ｄ３１も大きくなる傾向を示す。
【００２０】
この様な特徴を持つ圧電薄膜を用いた角速度センサでは、第３の電極１３８、１４０に同位相、第４の電極１３９、１４１に対しては第３の電極１３８、１４０と逆位相の交流電圧を印加すると、アーム１２１とアーム１２２は互いに逆方向（Ｘ方向）に音叉振動する。この時、第１の圧電薄膜１３４、１３６、第２の圧電薄膜１３５、１３７、の圧電定数ｄ３１が、電界依存性が無く一定であれば、音叉の変位量も正弦波となるが、実際は圧電定数ｄ３１に電界依存性があり、電界強度が小さい時には圧電定数ｄ３１が小さく、電界強度が大きい時には圧電定数ｄ３１も大きくなるため、音叉の変位量は正弦波とはならず、波形が歪んだ状態となる。この条件で、Ｘ方向（駆動方向）で共振している状態でＹ軸の回りに角速度が印加されると、アーム１２１、１２２はコリオリ力によりＺ方向（検出方向）に互いに逆向きに撓むが、駆動共振の変位量が歪んだ正弦波の状態にコリオリ力の撓みが乗ってくる為、その撓みの量も歪みの影響を受け、理想の状態からは損失（ロス）を生じる。
【００２１】
また、角速度の検出方法は、上記のＺ方向（検出方向）の互いに逆向きの撓みが発生し、それによりアーム１２１、１２２上にそれぞれ設けられている第３の圧電薄膜１４６、１４７に、それぞれ逆向きの電荷が発生するので、この電荷を第６の電極１４３、１４５が検出することにより、印加された角速度に対応した出力が得られる。この第３の圧電薄膜１４６、１４７の圧電定数ｄ３１が、電界依存性が無く一定であれば、角速度が小さく、従って発生する電荷が小さい状態でも、撓み量と発生電荷量は一次関数の関係にあり、検出の精度には悪い影響は及ぼさない。しかしながら、実際は圧電定数ｄ３１に電界依存性があり、電界強度が小さい時には圧電定数ｄ３１が小さく、電界強度が大きい時には圧電定数ｄ３１も大きくなるため、角速度が小さく、従って発生する電荷が小さい状態では、発生電荷量は理想状態よりも小さくなる為、検出の精度が低下し、悪い影響を及ぼす。
【００２２】
上記の様に、圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界依存性が大きければ、角速度の撓みに歪みの影響を受けるために、出力信号にノイズ成分が乗ってしまう。また、角速度が小さい領域では、出力信号が小さくなってしまい、シグナルが小さくなってしまう。従って、角速度センサのＳ／Ｎが悪くなってしまうという課題があった。
【００２３】
また上記の様な圧電定数ｄ３１に電界依存性がある状態で、角速度センサの周辺温度が上昇した場合、損失（ロス）が増幅されてノイズ成分が増加し、更に角速度センサのＳ／Ｎが悪くなってしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の課題を解決するために本発明は、振動体と、前記振動体に設けられ前記振動体を励振駆動させる駆動部と、前記振動体に発生するコリオリ力を検出する検出部を備え、前記駆動部は下部電極、圧電体層、上部電極を積層して形成され、前記圧電体層に印加する印加電圧に対する圧電定数ｄ３１の印加電圧依存性において、微小な電位差をａＶ／ｍとし、第１の印加電圧を任意に決定し、前記第１の印加電圧に対する圧電定数を第１の圧電定数ｄ３１、前記第１の印加電圧よりａＶ／ｍ大きい第２の印加電圧に対する圧電定数を第２の圧電定数ｄ３１、前記第２の印加電圧よりａＶ／ｍ大きい第３の印加電圧に対する圧電定数を第３の圧電定数ｄ３１としたとき、｜第２の圧電定数ｄ３１−第１の圧電定数ｄ３１｜／｜第３の圧電定数ｄ３１−第２の圧電定数ｄ３１｜が極大となる第２の印加電圧以上の電圧を印加して駆動、または、極小となる第２の印加電圧以下の電圧を印加して駆動する構成とした。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による角速度を検出する角速度センサは、圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界依存性が小さくなる範囲で駆動することにより角速度検出の精度を向上することが出来る。
【００２６】
また、その圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界依存性が極小となるような圧電薄膜材料を用いて、かつ圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界依存性が極小となるような駆動電圧を選択することによって、角速度センサにコリオリ力が印加された時の出力信号に乗るノイズ成分を極小化することが出来ると共に、角速度が小さい領域でも出力信号を確保できるため、Ｓ／Ｎを向上させることが出来る。更に、角速度センサの周辺温度が上昇した場合でも、損失（ロス）の増幅を抑えてノイズ成分を少なく出来るため、更に角速度センサのＳ／Ｎを向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１の角速度センサの斜視図
【図２】図１に示された角速度センサのＡ−ＡＡ線断面図
【図３】本発明の実施の形態１における圧電薄膜の圧電定数ｄ３１と電界強度依存性模式図
【図４】本発明の実施の形態１の角速度センサの圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性グラフ
【図５】本発明の実施の形態１における角速度センサの図２のＡ−ＡＡ線断面図を用いて説明した製造工程図
【図６】本発明の実施の形態２の角速度センサの圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性グラフ
【図７】本発明の実施の形態３の角速度センサの斜視図
【図８】図７に示された角速度センサのＢ−ＢＢ線断面図
【図９】ＰＺＴ（００１）配向率と圧電定数ｄ３１変化率依存性を示すグラフ
【図１０】角速度センサの原理説明用の斜視図
【図１１】従来の角速度センサの斜視図
【図１２】従来の角速度センサのＡ−ＡＡ線断面図
【図１３】従来の角速度センサの圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性グラフ
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施の形態について、図１から図８を用いて説明する。なお、本発明の角速度センサは振動体を有する構成となっているが、以下に示す実施の形態１および２では、その振動体として音叉の形状を有する構造を採用した場合を例に挙げて、また実施の形態３では、その振動体として音叉以外の形状を有する構造を採用した場合を例に挙げて、それぞれ説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の角速度センサの実施の形態１の斜視図で、図２は、図１に示された角速度センサのＡ−ＡＡ線断面図である。図３は、本発明の請求項１における圧電薄膜の圧電定数ｄ３１と電界強度依存性模式図である。図４は、本発明の角速度センサの実施の形態１の圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性グラフである。図５は、本発明の角速度センサの実施の形態１における、図２のＡ−ＡＡ線断面図を用いて説明した製造工程図である。
【００３０】
図１の矢印Ｘ、矢印Ｙ、矢印Ｚはそれぞれお互いに直交する３つの方向を示している。また、以降の説明では、矢印Ｘ、矢印Ｙ、矢印Ｚはそれぞれ方向Ｘ、方向Ｙ、方向Ｚとも記載される。図１、図２に示すように、平行な２本のアーム１及びアーム２と、この２本のアーム１及びアーム２を連結する基部３を有した振動体としての音叉４は、非圧電材料のシリコンからなる。第１の電極１０はアーム１の主面５上にあって、アーム１の中心線８の内側に設けられている。第２の電極１１はアーム１の主面５上にあって、中心線８の外側に設けられている。第１の電極１０と第２の電極１１はそれぞれ離間されている。第１の電極１２はアーム２の主面５上にあって、アーム２の中心線９の内側に設けられている。第２の電極１３はアーム２の主面５上にあって、中心線９の外側に設けられている。第１の電極１２と第２の電極１３はそれぞれ離間されている。第１の圧電薄膜１４、１６はそれぞれ中心線８、９の内側にあって、かつ、第１の電極１０、１２上にそれぞれ設けられている。第２の圧電薄膜１５、１７はそれぞれ中心線８、９外側にあって、かつ、第２の電極１１、１３上にそれぞれ設けられている。第３の電極１８、２０は第１の圧電薄膜１４、１６の上にそれぞれ設けられている。第４の電極１９、２１は第２の圧電薄膜１５、１７の上にそれぞれ設けられている。
【００３１】
以上の第１の電極１０、１２、第２の電極１１、１３、第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７、第３の電極１８、２０、第４の電極１９、２１により駆動部が構成されている。
【００３２】
第５の電極２２はアーム１の主面５上であって基部３よりの側に設けられている。かつ、第５の電極２２は、第１の電極１０と第２の電極１１に対して離間して設けられている。第６の電極２３は、第５の電極２２上に設けられた第３の圧電薄膜２６上に設けられている。尚、第３の圧電薄膜２６は、図１では第６の電極２３で隠れていて見えていない。同じく、第５の電極２４はアーム２の主面５上であって基部３よりの側に設けられている。かつ、第５の電極２４は、第１の電極１２と第２の電極１３に対して離間して設けられている。第６の電極２５は、第５の電極２４上に設けられた第３の圧電薄膜２７上に設けられている。尚、第３の圧電薄膜２７は、図１では第６の電極２５で隠れていて見えていない。
【００３３】
以上の第５の電極２２、２４、第３の圧電薄膜２６、２７、第６の電極２３、２５により検知部が構成されている。上述のようにして、角速度センサ５０が構成されている。
【００３４】
次に、角速度センサ５０の動作原理について説明する。
【００３５】
図１、図２において、第１の電極１０と第３の電極１８との間、第１の電極１２と第３の電極２０との間、第２の電極１１と第４の電極１９との間、第２の電極１３と第４の電極２１との間にそれぞれ２０Ｖ程度の直流電圧を印加すると、第１圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７の分極はそれぞれ一定方向に揃う。同じく、第５の電極２２と第６の電極２３との間、第５の電極２４と第６の電極２５との間にそれぞれ２０Ｖ程度の直流電圧を印加すると、第３の圧電薄膜２６、２７の分極は一定方向に揃う。
【００３６】
例えば、第１の電極１０、１２、第２の電極１１、１３、及び第５の電極２２、２４が高電位側になるように直流電圧を印加すると、第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７及び第３の圧電薄膜２６、２７の分極の方向は、第１の電極１０、１２、第２の電極１１、１３及び第５の電極２２、２４から第３の電極１８、２０、第４の電極１９、２１及び第６の電極２３、２５の方向に向く。この分極方向は、上述の直流電圧の印加を止めても一定方向のままで維持される。これは自発分極と呼ばれる。第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７及び第３の圧電薄膜２６、２７がこのような自発分極を持つとき、第３の電極１８、２０、第４の電極１９、２１及び第６の電極２３、２５が第１の電極１０、１２、第２の電極１１、１３及び第５の電極２２、２４よりも高電位の場合は、第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７及び第３の圧電薄膜２６、２７はそれぞれの分極の方向が緩和する方向に動く。従って、第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７及び第３の圧電薄膜２６、２７は分極と平行な方向に縮み、垂直な方向に伸びる。逆に、第３の電極１８、２０、第４の電極１９、２１及び第６の電極２３、２５が第１の電極１０、１２、第２の電極１１、１３及び第５の電極２２、２４よりも低電位の場合は、第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７及び第３の圧電薄膜２６、２７は分極と平行な方向に伸び、垂直な方向に縮む。
【００３７】
したがって、第１の電極１０をＧＮＤ電極又は仮想ＧＮＤ電極とし、第３の電極１８に交流電圧を印加すると、第１の圧電薄膜１４はＹ軸方向に伸び縮みする。以上は、アーム１上の内側に設けられた駆動部について説明したが、アーム１上の外側に設けられた駆動部、アーム２上の内側、外側に設けられた駆動部についても同様な動作をする。
【００３８】
また、図１、図２に示す第３の電極１８と第４の電極１９に互いに位相が１８０°異なる交流電圧を印加することで、第１の圧電薄膜１４が伸びる時に第２の圧電薄膜１５は縮む。逆に、第１の圧電薄膜１４が縮む時に第２の圧電薄膜１５は伸びる。
【００３９】
以上の原理に基づき、第３の電極１８、２０に同位相、第４の電極１９、２１に対しては第３の電極１８、２０と逆位相の交流電圧を印加すると、アーム１とアーム２は互いに逆方向（Ｘ方向）に音叉振動する。
【００４０】
また、アーム１、２は形状に依存した固有共振周波数を有している。第３の電極１８、２０、第４の電極１９、２１に印加する交流電圧の周波数をこの形状の固有の共振周波数と同じにすれば、アーム１、２はＸ方向（駆動方向）へ駆動共振させられる。Ｘ方向（駆動方向）で共振している状態でＹ軸の回りに角速度が印加されると、アーム１、２はコリオリ力によりＺ方向（検出方向）に互いに逆向きに撓む。この撓みによりアーム１、２上にそれぞれ設けられている第３の圧電薄膜２６、２７には、それぞれ逆向きの電荷が発生する。この逆向きの電荷を第６の電極２３、２５が検出することにより、印加された角速度に対応した出力が得られる。
【００４１】
上記の構成の角速度センサでは、その性能は、角速度センサの中に構成された、圧電薄膜の性能に大きく依存する。即ち、印加された角速度に対して信頼性の高い検出信号を得るためには、圧電薄膜の性能が高く、安定していることが必要である。圧電薄膜の性能が高いということは、圧電薄膜に電圧を印加した時に膜が変位する量が大きいことを示しており、その性能をあらわす指標は、圧電定数ｄ３１である。この圧電定数ｄ３１は、図１３の圧電定数ｄ３１と電界強度のヒステリシスループ図に示す様に、通常は印加する電圧（電界強度）によって変化し、一般的には電界強度が大きい程、圧電定数ｄ３１も大きくなる傾向を示す。
【００４２】
これに対して、圧電薄膜の性能が安定しているということは、特に角速度センサにおいては、上記の圧電定数ｄ３１と電界強度の依存性が可能な限り小さい、即ち、どの電界強度においても、同じ圧電定数ｄ３１を示す方が望ましいことを意味する。実際は、電界強度を０→プラス方向（分極方向）最大値→マイナス方向（逆分極方向）最大値→０と変えることにより、図１３に示した様に、圧電定数ｄ３１も正の値から負の値に変化するヒステリシスを示すため、印加電界の全ての領域で圧電定数ｄ３１と電界強度の依存性が小さいことはありえないのだが、角速度センサでは、このヒステリシスループのうち、例えば電界強度が０から、正方向に２．０×１０-6Ｖ／ｍの範囲で音叉が共振駆動するように交流の電圧を印加するため、この電界の範囲での圧電定数ｄ３１の変化が小さければ、圧電定数ｄ３１の電界依存性が小さいということになる。これに対して、電界強度が０から、正方向に３．０×１０-6Ｖ／ｍの範囲で音叉が共振駆動するように交流の電圧を印加する様な角速度センサの場合、この電界の範囲での圧電定数ｄ３１の変化量は、正方向に２．０×１０-6Ｖ／ｍの範囲で音叉が共振駆動するように交流の電圧を印加する角速度センサよりも大きくなるため、高い電界強度と低い電界強度での圧電定数ｄ３１の差は大きくなる。従ってセンサの感度として見た場合に、変位が大きいときの出力信号は大きいが、変位が小さいときの出力信号が相対的に小さくなるため、高い電界強度と比較して感度が低くなり、Ｓ／Ｎが悪化することになる。また、角速度センサの駆動に消費される電力という観点でも、電界強度の上限が高い方がセンサ自体の消費電力が大きくなるため、電界強度の上限は、小さい方が望ましい。
【００４３】
この圧電定数ｄ３１の電界強度依存性が小さいということを、本発明では以下の様に定義している。図３に示す、圧電定数ｄ３１の電界強度依存性の模式図を用いて説明すると、圧電定数ｄ３１の印加電圧依存性において、微小な電位差をａＶ／ｍとし、第１の印加電圧を任意に決定し、前記第１の印加電圧に対する圧電定数を第１の圧電定数ｄ３１（Ｉ）、前記第１の印加電圧よりａＶ／ｍ大きい第２の印加電圧に対する圧電定数を第２の圧電定数ｄ３１（II）、前記第２の印加電圧よりａＶ／ｍ大きい第３の印加電圧に対する圧電定数を第３の圧電定数ｄ３１（III）とする。この様な条件で、第２の圧電定数ｄ３１（II）と第１の圧電定数ｄ３１（Ｉ）の差分である｜ｄ３１（II）−ｄ３１（Ｉ）｜を分子とし、第３の圧電定数ｄ３１（III）と第２の圧電定数ｄ３１（II）の差分である｜ｄ３１（III）−ｄ３１（II）｜を分母とする値を定義する。即ち、｜ｄ３１（II）−ｄ３１（Ｉ）｜／｜ｄ３１（III）−ｄ３１（II）｜を、圧電定数ｄ３１の電界強度依存性を示す評価値であると定義した時に、この値が極大となる場合は、分母の値が極小になるため、このｄ３１（III）とｄ３１（II）の間で駆動することが電界強度依存性を最も小さくすることが出来る。即ち、第２の印加電圧以上の電圧を印加して駆動することで、電界強度依存性を最も小さくすることが出来る。
【００４４】
また、｜ｄ３１（II）−ｄ３１（Ｉ）｜／｜ｄ３１（III）−ｄ３１（II）｜の値が極小となる場合は、分子の値が極小になるため、このｄ３１（II）とｄ３１（Ｉ）の間で駆動することが電界強度依存性を最も小さくすることが出来る。即ち、第２の印加電圧以下の電圧を印加して駆動することで、電界強度依存性を最も小さくすることが出来る。
【００４５】
なお、ここで微少な電位差をａＶ／ｍとして規定したが、これは圧電定数ｄ３１の電界強度依存性を上記の式で計算する時の任意の値であり、最も電界強度依存性が小さくなる場所を角速度センサの駆動領域とするために、ａの値は限りなく「微少な」ものとなる。従って、実際の角速度センサの駆動範囲は、ａの絶対値とは関わりなく、「第２の印加電圧以上」もしくは「第２の印加電圧以下」という形で定義されている。
【００４６】
本発明の圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性のグラフを図４に示す。この圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の薄膜材料からなり、その組成がＰｂ1+X（ＺｒY、Ｔｉ(1-Y)）Ｏ3±Z（Ｘ＝０〜０．３、Ｙ＝０．４〜０．６、Ｚ≦０．３）を主成分とする圧電薄膜材料であることを特徴とし、このグラフに表示した圧電薄膜の組成は、Ｐｂ1.1（Ｚｒ0.58、Ｔｉ0.42）Ｏ3.0である。
【００４７】
更に、このＰＺＴ系の圧電薄膜の結晶構造が菱面体晶構造であり、その結晶面が基板に対して平行な面に、（００１）面または（１００）面に配向し、その配向率である、（（００１）ピークまたは（１００）ピークの強度）／（ＰＺＴの全てのピークの強度の和）が９７％であることを特徴とする。この為、この圧電薄膜の圧電定数ｄ３１は、図４に示す様に、電界強度が０付近から分極方向が正の方向に２．０×１０-6Ｖ／ｍの領域で、その電界強度依存性が極小となる特徴を持っている。そのため、この材料を用いた角速度センサの駆動電圧＝電界強度の範囲も、０〜２．０×１０-6Ｖ／ｍに設定されている。
【００４８】
これに対して、比較例として、従来の圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性のグラフを図１３に示す。この従来の圧電薄膜は、同じＰＺＴ系の圧電薄膜で、組成はＰｂ1+X（ＺｒY、Ｔｉ(1-Y)）Ｏ3±Z（Ｘ＝０〜０．３、Ｙ＝０．４〜０．６、Ｚ≦０．３）を主成分とし、このグラフに表示した圧電薄膜の組成は、Ｐｂ1.1（Ｚｒ0.58、Ｔｉ0.42）Ｏ3.0、およびＰｂ1.2（Ｚｒ0.53、Ｔｉ0.47）Ｏ3.1である。また、その結晶構造も、Ｐｂ1.1（Ｚｒ0.58、Ｔｉ0.42）Ｏ3.0が菱面体晶構造であり、Ｐｂ1.2（Ｚｒ0.53、Ｔｉ0.47）Ｏ3.1が正方晶構造であるが、その結晶面の（００１）面または（１００）面の配向率が６６〜７６％に留まっている圧電薄膜材料である。この材料を用いた角速度センサの駆動電圧＝電界強度の範囲も、０〜２．０×１０-6Ｖ／ｍに設定されている。
【００４９】
【表１】
2013217872.tif 000003
【００５０】
この図３に示した、本発明の圧電薄膜と、図１３に示した、従来の圧電薄膜の比較を行なった。（表１）に、それぞれの圧電薄膜の結晶性分析結果から（００１）配向率を算出した結果と、圧電定数ｄ３１の値、および駆動範囲での圧電定数の変化率を示す。この結果より、ＰＺＴ（００１）の配向率が高いほど、圧電定数ｄ３１の変化率が小さくなる傾向にあることが判った。これは、ＰＺＴ（００１）の配向率が高いということは、ＰＺＴの分極軸である（００１）方向に結晶配向の向きが上下電極間で揃っていることを意味するため、分極方向も上下方向に揃っていることになる。従って、電界強度を徐々に上げていった時にも、分極の向きと電界を加えた向きが同一であるために分極の回転が起こらず、圧電定数ｄ３１の変化率は小さくなる。これに対して、ＰＺＴ（００１）の配向率が低いということは、ＰＺＴの分極軸である（００１）方向に結晶配向の向きが揃っていないことを意味するため、分極方向も上下方向に揃っていないことになる。従って、電界強度を徐々に上げていった時にも、分極の向きと電界を加えた向きが一部で傾いているために、電界強度が高くなるにつれて分極の回転が発生する。即ち、電界強度が弱い時と強い時で、分極の揃う割合が異なるため、圧電定数ｄ３１の変化率は大きくなる。
【００５１】
更に、この図４に示した、本発明の圧電薄膜を用いた角速度センサと、図１３に示した、従来の圧電薄膜を用いた、同じ構造での角速度センサの比較を行なった。先に示した（表１）において、本発明１および従来素子１に示した圧電薄膜の組成はＰｂ1.1（Ｚｒ0.58、Ｔｉ0.42）Ｏ3.0であり、従来素子２および３に示した圧電薄膜の組成はＰｂ1.2（Ｚｒ0.53、Ｔｉ0.47）Ｏ3.1である。この結果より、本発明１および従来素子１〜３に示した圧電薄膜において、高い電界強度＝２×１０-6Ｖ／ｍでの圧電定数ｄ３１の値を比較すると、ＰＺＴ（００１）配向率が高い本発明１の圧電薄膜で１１０以上と高いのに対して、従来素子１〜３の圧電薄膜では８４〜６９と低い。また低い電界強度＝０×１０-6Ｖ／ｍでは、本発明１の圧電薄膜で１０３に対して、従来素子１〜３の圧電薄膜では７１〜５２と、その差が大きくなっている。この最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）でのｄ３１の差は、本発明１のｄ３１を１００とすると、５１〜６９％と低い。また、電界強度依存性の差も、本発明１は６．８％であるのに対して、従来素子１〜３は、１５〜２３％と大きい。従って、最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での信号出力の差は、本発明１と比較して、従来素子１〜３では３１〜４９％もダウンすることになり、この差が微少な角速度が印加された時のＳ／Ｎに影響することになる。また、この実施の形態１での角速度センサの駆動電圧＝電界強度の範囲は、本発明１および従来素子１〜３全てにおいて０〜２．０×１０-6Ｖ／ｍに設定されているが、低い電界強度が０×１０-6Ｖ／ｍであるのは、角速度センサ駆動時のエネルギーを少なくするためであり、これによって角速度センサの省エネルギー化が実現できる。
【００５２】
また、角速度センサは車両等の使用環境によっては、１００℃以上の環境で使用されることもあり、角速度センサに用いられる圧電薄膜には良好な温度特性が求められる。このため、上記の圧電薄膜を用いた角速度センサにおいて、１００℃以上の環境における性能について比較した結果、従来の圧電薄膜を用いた角速度センサでは、特に最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での圧電定数ｄ３１が劣化することにより、よりＳ／Ｎが悪化したのに対して、本発明１の圧電薄膜を用いた角速度センサでは、最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での圧電定数ｄ３１の劣化は従来の圧電薄膜よりも小さく、Ｓ／Ｎの悪化も小さかったことから、両者の性能の差は更に拡大した。このことから、本発明１の圧電薄膜を用いた角速度センサは、高いＳ／Ｎと温度特性の安定性能を持っていることが明らかになった。
【００５３】
次に、本実施の形態に示す角速度センサの製造方法について、以下に説明する。
【００５４】
図５Ａ〜図５Ｈは、図１に示された角速度センサのＡ−ＡＡ線断面を用いて説明した製造工程図である。
【００５５】
図５Ａに示されたように面方位（１００）で厚み２００μｍ程度のシリコン基板３０が準備される。次に、図５Ｂに示されるように、シリコン基板３０の主面５上に貴金属材料と酸化されやすい材料との合金膜がスパッタもしくは蒸着により２０００Å程度の厚みに成膜される。貴金属材料と酸化されやすい材料との合金膜としては、白金（Ｐｔ）−チタン（Ｔｉ）またはイリジウム（Ｉｒ）−チタン（Ｔｉ）などである。この成膜によって下部電極４０が形成される。さらにこの下部電極４０の上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料がスパッタにより１〜４μｍ程度の厚みに成膜され、圧電薄膜４１が形成される。この圧電薄膜４１の上に金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）などの材料からなる上部電極４２がスパッタあるいは蒸着により２０００Å程度の厚みに成膜される。
【００５６】
次に、図５Ｃに示されるように、上部電極４２の上にレジスト４３がパターンニングされる。このレジスト４３は、所定の形状である第３の電極１８、２０、第４の電極１９、２１、第６の電極２３、２５、第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７、第３の圧電薄膜２６、２７らを、フォトリソグラフィ技術を用いて形成するためにパターンニングされる。続いて、図５Ｄに示されるように上部電極４２および圧電薄膜４１がドライエッチングされる。そうして、図５Ｅに示されるようにレジスト４４がパターンニングされる。このレジスト４４は、フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状である第１の電極１０、１２、第２の電極１１、１３、第５の電極２２、２４を形成するために作成される。レジスト４４は、第３の電極１８、２０、第４の電極１９、２１、第６の電極２３、２５、第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７、第３の圧電薄膜２６、２７を覆うように形成され、パターンニングされる。そうして、図５Ｆに示されるように下部電極４０が所定形状にエッチングされる。
【００５７】
次に、図５Ｇに示されるように、第１の電極１０、１２、第２の電極１１、１３、第５の電極２２、２４、第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７、第３の圧電薄膜２６、２７、第３の電極１８、２０、第４の電極１９、２１、第６の電極２３、２５とシリコン基板３０の主面５上を覆うように形成したレジスト４５がパターンニングされる。このレジスト４５は、フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状のシリコンからなる音叉４を形成するためにパターンニングされる。そうして、図５Ｈに示されるように、シリコン基板３０は誘導結合型の反応性イオンエッチングによりエッチング加工される。
【００５８】
シリコン基板３０を誘導結合型の反応性イオンエッチングする際は、少なくとも２種類以上のガスが用いられる。２種類以上のガスは少なくともエッチングを促進するガスとエッチングを抑制するガスであり、これによりエッチングの促進と抑制を高精度に行うことができる。その結果、シリコン基板３０の主面５に対して垂直方向にのみエッチングが進行するようにできる。結果として、シリコン基板３０の主面５に対して垂直な側面４６、４７が得られる。
【００５９】
本実施の形態においては、第１の電極、第２の電極、第５の電極としての下部電極４０に白金（Ｐｔ）−チタン（Ｔｉ）またはイリジウム（Ｉｒ）−チタン（Ｔｉ）を用いた例について説明した。しかし、下部電極４０として、下部（シリコン基板３０表面）側に設けられたＴｉ膜と、その上部（第１の圧電薄膜１４、１６、第２の圧電薄膜１５、１７、第３の圧電薄膜２６、２７）側に設けられたＰｔ−Ｔｉ膜またはＩｒ−Ｔｉ膜から構成される２層構造の方がより好ましい。この構成により、Ｔｉ膜はシリコン及びＰｔ−Ｔｉ膜またはＩｒ−Ｔｉ膜と密着性が強固で、Ｐｔ−Ｔｉ膜またはＩｒ−Ｔｉ膜はＰＺＴ等の圧電薄膜の配向を良好にすることができる。
【００６０】
また、本実施の形態においては、白金（Ｐｔ）−チタン（Ｔｉ）またはイリジウム（Ｉｒ）−チタン（Ｔｉ）からなる下部電極４０の上に直接圧電薄膜４１を設けた構成とした例について説明した。しかし、Ｐｔ−Ｔｉ膜と圧電薄膜との間に、さらにランタン（Ｌａ）が添加されたチタン酸鉛（ＰＬＴ）膜であるか、若しくはランタン（Ｌａ）とマグネシウム（Ｍｇ）が添加されたチタン酸鉛（ＰＬＭＴ）膜が設けられた構成にするのがより好ましい。この構成により、ＰＺＴ等の圧電薄膜の良好な配向を得るための製造条件の許容範囲を広くすることができる。
【００６１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における、圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性のグラフを図６に示す。この圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の薄膜材料からなり、その組成については、実施の形態１と同じくＰｂ1+X（ＺｒY、Ｔｉ(1-Y)）Ｏ3±Z（Ｘ＝０〜０．３、Ｙ＝０．４〜０．６、Ｚ≦０．３）を主成分とする圧電薄膜材料であることを特徴とし、このグラフに表示した圧電薄膜の組成は、Ｐｂ1.2（Ｚｒ0.53、Ｔｉ0.47）Ｏ3.1である。
【００６２】
更に、このＰＺＴ系の圧電薄膜の結晶構造が正方晶構造であり、その結晶面が基板に対して平行な面に、（００１）面または（１００）面に配向し、その配向率である、（（００１）ピークまたは（１００）ピークの強度）／（ＰＺＴの全てのピークの強度の和）は、９９％以上（実際は１００％）であることを特徴とする。この為、この圧電薄膜の圧電定数ｄ３１は、図６に示す様に、電界強度が０付近から分極方向が正の方向に１．０×１０-6Ｖ／ｍの領域で、その電界強度依存性が極小となる特徴を持っている。そのため、この材料を用いた角速度センサの駆動電圧＝電界強度の範囲も、０〜１．０×１０-6Ｖ／ｍに設定されている。なお、この実施の形態２での圧電薄膜（配向率１００％）の電界強度依存性は、０〜１．０×１０-6Ｖ／ｍの範囲で３．５％であるのに対し、実施の形態１での圧電薄膜（配向率９７％）の電界強度依存性は、同じ０〜１．０×１０-6Ｖ／ｍの範囲で５．０％であり、配向率の高い方で電界強度依存性が小さく、角速度が小さい領域でも出力信号が大きくなるため、Ｓ／Ｎにおいてより有利である。
【００６３】
この図６に示した、本発明の圧電薄膜を用いて、実施の形態１と同じ構造、および製造方法で作成した角速度センサと、実施の形態１で示した、図４の従来の圧電薄膜を用いた角速度センサの比較を行なった。（表２）に、それぞれの圧電薄膜の結晶性分析結果から、（００１）配向率を算出した結果と、圧電定数ｄ３１の値、および駆動範囲での圧電定数の変化率を示す。この結果より、本発明２および従来素子１〜３に示した圧電薄膜において、高い電界強度＝１×１０-6Ｖ／ｍでの圧電定数ｄ３１の値を比較すると、ＰＺＴ（００１）配向率が高い本発明２の圧電薄膜で１０６と高いのに対して、従来素子１〜３の圧電薄膜では８０〜６３と低い。また低い電界強度＝０×１０-6Ｖ／ｍでは、本発明２の圧電薄膜で１０２に対して、従来素子１〜３の圧電薄膜では７１〜５２と、その差が大きくなっている。この最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）でのｄ３１の差は、本発明２のｄ３１を１００とすると、５１〜６９％と低い。また電界強度依存性の差も、本発明２は３．５％と、実施の形態１よりも依存性が小さくなっているが、従来素子１〜３では１１〜１７％と大きい。従って、最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での信号出力の差は、本発明２と比較して、従来素子１〜３では３１〜４９％もダウンすることになり、この差が微少な角速度が印加された時のＳ／Ｎに影響することになる。
【００６４】
【表２】
2013217872.tif 000004
【００６５】
上記の圧電薄膜を用いた角速度センサにおいて、１００℃以上の環境における性能について比較した結果、従来の圧電薄膜を用いた角速度センサでは、特に最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での圧電定数ｄ３１が劣化することにより、よりＳ／Ｎが悪化したのに対して、本発明２の圧電薄膜を用いた角速度センサでは、最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での圧電定数ｄ３１の劣化は従来の圧電薄膜よりも小さく、Ｓ／Ｎの悪化も小さかったことから、両者の性能の差は更に拡大した。このことから、本発明２の圧電薄膜を用いた角速度センサは、高いＳ／Ｎと温度特性の安定性能を持っていることが明らかになった。更に、本実施の形態２の圧電薄膜は低い電界強度における角速度センサ駆動時のＳ／Ｎの劣化が小さいため、角速度センサの低消費電力化に有効である。
【００６６】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、実施の形態１および２の音叉型の角速度センサとは異なる平板型構造の角速度センサを作成した。図７に、その角速度センサの斜視図を示す。以下、この角速度センサの構造について説明する。
【００６７】
図７に示すように、本発明の実施の形態３における角速度センサは、駆動信号を出力し、検出素子５１からの検出信号が入力される処理回路（図示せず）と、前記処理回路からの駆動信号の入力に伴い駆動振動をするとともに、コリオリ力の検出に伴い前記検出信号を出力する検出素子５１を備えている。
【００６８】
そして、この検出素子５１は、基部５２と、駆動信号が入力される駆動用電極５３を有するとともに、基部５２に接続された駆動用アーム５４Ａ、５４Ｂと、基部５２に接続されるとともに検出信号を出力する第１の検出用アーム５５Ａ、第２の検出用アーム５５Ｂとを有し、第１の検出用アーム５５Ａ、第２の検出用アーム５５Ｂは互いに並走するよう形成され、第１の検出用アーム５５Ａには第１の検出電極５７Ａ、第２の検出電極５７Ｂが形成され、第２の検出用アーム５５Ｂには第３の検出電極５７Ｃ、第４の検出電極５７Ｄが形成され、第１の検出用アーム５５Ａにおいて、第１の検出電極５７Ａは第２の検出用アーム５５Ｂから遠い側に形成され、第２の検出電極５７Ｂは第２の検出用アーム５５Ｂに近い側に形成され、第２の検出用アーム５５Ｂにおいて、第３の検出電極５７Ｃは第１の検出用アーム５５Ａに近い側に形成され、第４の検出電極５７Ｄは第１の検出用アーム５５Ａから遠い側に形成されており、これら検出電極５７Ａ、５７Ｂ、５７Ｃ、５７Ｄが、第１、第２の検出用アーム５５Ａ、５５Ｂに生じる歪を電気的に検出する。
【００６９】
続いて動作原理について説明する。
【００７０】
図７のＢ−ＢＢ線断面図である図８に示すのは、駆動用アーム５４Ａ、５４Ｂの断面であり、当該駆動用アーム５４Ａ、５４Ｂは、シリコン基板５９と、このシリコン基板５９上に設けられた下部電極５８Ｂと、この下部電極５８Ｂのさらに上方に設けられた上部電極５８Ａと、下部電極５８Ｂと上部電極５８Ａとの間に介在された圧電体５８Ｃとを備えている。
【００７１】
そして、処理回路（図示せず）から下部電極５８Ｂと上部電極５８Ａとの間に、シリコン基板５９が共振する周波数の駆動信号を入力することにより、駆動用アーム５４Ａ、５４Ｂを駆動振動させ、それに伴い、図７に示した検出用アーム５５Ａ、５５Ｂが共振により同調して駆動振動する。
【００７２】
ここで、第１の検出用アーム５５Ａ、第２の検出用アーム５５Ｂの形成方向をＹ軸方向とし、第１の検出用アーム５５Ａ、第２の検出用アーム５５Ｂ形成平面に垂直な方向をＺ軸方向とし、前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向に垂直な方向をＸ軸とした場合において、駆動用アーム５４Ａ、５４Ｂ、検出用アーム５５Ａ、５５Ｂは、Ｘ軸方向とＹ軸方向の長さ成分を有しているため、これらの駆動用アーム５４Ａ、５４Ｂ、検出用アーム５５Ａ、５５Ｂを振動させることによって、これら駆動用アーム５４Ａ、５４Ｂの先端に連結された錘６０Ａ、６０Ｂ、検出用アーム５５Ａ、５５Ｂの先端に連結された錘６１Ａ、６１Ｂ（図７参照）には、Ｘ軸方向とＹ軸方向の速度が発生する。
【００７３】
Ｘ軸の正側に配置された駆動用アーム５４Ｂの錘６０ＢがＸ軸の正方向及びＹ軸の正方向に振動している場合、Ｘ軸の負側に配置された駆動用アーム５４Ａの錘６０ＡがＸ軸の負方向及びＹ軸の正方向に振動し、Ｘ軸の正側に配置された第２の検出用アーム５５Ｂの錘６１ＢはＸ軸の正方向及びＹ軸の負方向に振動し、Ｘ軸の負側に配置された第１の検出用アーム５５Ａの錘６１ＡはＸ軸の負方向及びＹ軸の負方向に振動する。
【００７４】
そして、検出素子５１に角速度が加わると、この角速度に起因して、第１の検出用アーム５５Ａ、第２の検出用アーム５５Ｂにおいて歪が生じる。この歪を第１の検出電極５７Ａ、第２の検出電極５７Ｂ、第３の検出電極５７Ｃ、第４の検出電極５７Ｄが電圧として出力し、この出力電圧に基づく検出信号により処理回路が角速度を検出するのである。
【００７５】
上記の平板型構造の角速度センサにおいて、本発明の実施の形態３では、圧電薄膜に実施の形態２と同じ材料を用いて作成した。この圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性のグラフは、実施の形態２と同じく図６に示す。この圧電薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の薄膜材料からなり、その組成については、実施の形態２と同じくＰｂ1+X（ＺｒY、Ｔｉ(1-Y)）Ｏ3±Z（Ｘ＝０〜０．３、Ｙ＝０．４〜０．６、Ｚ≦０．３）を主成分とする圧電薄膜材料であることを特徴とする。更に、このＰＺＴ系の圧電薄膜の結晶構造が、菱面体晶構造あるいは正方晶構造であり、その結晶面が基板に対して平行な面に、（００１）面または（１００）面に配向し、その配向率である、（（００１）ピークまたは（１００）ピークの強度）／（ＰＺＴの全てのピークの強度の和）は、９９％以上（実際は１００％）であることを特徴とする。この為、この圧電薄膜の圧電定数ｄ３１は、図６に示す様に、電界強度が０付近から分極方向が正の方向に１．０×１０-6Ｖ／ｍの領域で、その電界強度依存性が極小となる特徴を持っている。そのため、この材料を用いた角速度センサの駆動電圧＝電界強度の範囲も、０〜１．０×１０-6Ｖ／ｍに設定されている。
【００７６】
一方で、比較例として、従来の圧電薄膜を用いて図７に示す同じ平板型構造の角速度センサを作成した。この従来の圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性のグラフは、実施の形態１および２と同じく、図４に示す通りである。
【００７７】
この実施の形態３と、比較例の圧電薄膜の性能比較は、材料自体は実施の形態２で用いたものと同じなので、実施の形態２の（表２）で示した結果と同様である。即ち、本発明２および従来素子１〜３に示した圧電薄膜において、高い電界強度＝１×１０-6Ｖ／ｍでの圧電定数ｄ３１の値を比較すると、ＰＺＴ（００１）配向率が高い本発明２の圧電薄膜で１０６と高いのに対して、従来素子１〜３の圧電薄膜では８０〜６３と低い。また低い電界強度＝０×１０-6Ｖ／ｍでは、本発明２の圧電薄膜で１０２に対して、従来素子１〜３の圧電薄膜では７１〜５２と、その差が大きくなっている。この最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）でのｄ３１の差は、本発明２のｄ３１を１００とすると、５１〜６９％と低い。また電界強度依存性の差も、本発明２は３．５％と、実施の形態１よりも依存性が小さくなっているが、従来素子１〜３では１１〜１７％と大きい。従って、最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での信号出力の差は、本発明２と比較して、従来素子１〜３では３１〜４９％もダウンすることになり、この差が微少な角速度が印加された時のＳ／Ｎに影響することになる。この傾向については、角速度センサが音叉型であるか、そうでない平板型かという、角速度センサの構造に依存するのではなく、圧電薄膜の圧電定数ｄ３１−電界強度依存性の差によって左右されることが明確になった。
【００７８】
上記の圧電薄膜を用いた角速度センサにおいて、１００℃以上の環境における性能について比較した結果、従来の圧電薄膜を用いた角速度センサでは、特に最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での圧電定数ｄ３１が劣化することにより、よりＳ／Ｎが悪化したのに対して、本発明２の圧電薄膜を用いた角速度センサでは、最小電界（０×１０-6Ｖ／ｍ）での圧電定数ｄ３１の劣化は従来の圧電薄膜よりも小さく、Ｓ／Ｎの悪化も小さかったことから、両者の性能の差は更に拡大した。これは、実施の形態３の平板型構造の角速度センサにおいても、その動作原理は、駆動用アームを駆動信号の入力に伴い駆動振動を行ないながら、コリオリ力の検出に伴い検出用アームより検出信号を出力する方式が、形状は異なっても実施の形態１および２の音叉型構造の角速度センサと同じであることから、同様の効果が得られる。このことから、本発明２の圧電薄膜を用いた角速度センサは、高いＳ／Ｎと温度特性の安定性能を持っていることが明らかになるとともに、角速度センサの性能の差は、角速度センサの構造に関わらず、その角速度センサに用いられている圧電薄膜の圧電定数ｄ３１−電界強度依存性の差によって左右されることが明らかになった。
【００７９】
以上の様に本発明では、実施の形態１および２の音叉構造の角速度センサにおいて、また実施の形態３において音叉構造でない別の形態の角速度センサにおいて、圧電薄膜の圧電定数ｄ３１の電界強度依存性が小さい方が、その圧電薄膜を用いた角速度センサのＳ／Ｎを向上させると共に、高い温度特性の安定性を示すことを明らかにしたが、角速度センサの構造は上記の実施の形態に示したものに限定されるものではなく、これら以外の構造の角速度センサにおいても、同様の効果を有するものであることは言うまでもない。
【００８０】
また本発明では、実施の形態１〜３で示したように、角速度センサの駆動範囲が、印加する電界強度で２．０×１０-6Ｖ／ｍであるか、もしくは１．０×１０-6Ｖ／ｍであると規定したが、角速度センサの駆動範囲は上記の２条件に限定されるものではなく、印加する電界強度で２．０×１０-6Ｖ／ｍ以下の範囲であり、望ましくは１．０×１０-6Ｖ／ｍ以下の範囲であれば、上記の２条件以外の駆動範囲でも、同様の効果を有するものであることは言うまでもないが、角速度センサの駆動エネルギーを削減する省エネルギーの観点から、より小さい電界強度の範囲で駆動する方が望ましく、それを実現するためには、本発明のような圧電定数ｄ３１の電界強度依存性が小さい圧電薄膜が必要となる。その圧電定数ｄ３１の印加電圧依存性は、角速度センサを駆動する範囲において、｜圧電定数ｄ３１の最大値−圧電定数ｄ３１の最小値｜／｜圧電定数ｄ３１の最大値｜の値が０．１０以下であれば効果が高く、望ましくは０．０５以下であると、さらに高い効果が認められる。その差は、圧電定数ｄ３１の最小値での信号の出力差が５．２６％であり、その差はＳ／Ｎの性能差にあらわれる。
【００８１】
また本発明では、実施の形態１〜３で示したように、角速度センサの駆動範囲の電界強度に、０×１０-6〜２．０×１０-6Ｖ／ｍであるか、もしくは０×１０-6〜１．０×１０-6Ｖ／ｍであると規定したが、角速度センサの駆動範囲は上記の２条件に限定されるものではなく、印加する電界強度で２．０×１０-6Ｖ／ｍ以下の範囲であり、望ましくは１．０×１０-6Ｖ／ｍ以下の範囲であれば、上記の２条件以外の駆動範囲でも、同様の効果を有するものであることは言うまでもないが、電界強度の最小値を０×１０-6Ｖ／ｍに設定すると、素子の駆動の上で扱いやすく、回路設計も容易で、角速度センサ素子全体のコストも抑えることができるため、電界強度の最小値を０×１０-6Ｖ／ｍに設定する方が望ましい。
【００８２】
また本発明では、圧電薄膜の材料をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の薄膜材料に限定し、その組成をＰｂ1+X（ＺｒY、Ｔｉ(1-Y)）Ｏ3±Z（Ｘ＝０〜０．３、Ｙ＝０．４〜０．６、Ｚ≦０．３）を主成分とする圧電薄膜材料としたが、本実施の形態ではこの範囲の一例について説明を行なった。しかしながら、ＰＺＴの組成については、本実施の形態で示した値に限定されるものではなく、上記の化学式で示した範囲の組成であれば、同様の効果が認められる。
【００８３】
また、圧電薄膜の材料をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の薄膜材料に限定しているが、これは本発明で規定した角速度センサの駆動範囲と角速度センサの性能を両立するためには、ＰＺＴ系の薄膜材料が最適であり、良好な電界強度依存性を実現できるためである。また組成範囲も、上記に定めた範囲であれば、本発明の効力を十分に発揮することが出来る。なお、ＰＺＴ系以外の圧電薄膜材料は最適な材料ではないが、本発明の効果を得ることはできる。
【００８４】
また本発明では、上記の圧電薄膜の材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の結晶構造が、菱面体晶構造あるいは正方晶構造であり、その結晶面が基板に対して平行な面に、（００１）面または（１００）面に配向し、その配向率である、（（００１）ピークまたは（１００）ピークの強度）／（ＰＺＴの全てのピークの強度の和）が９０％以上で、できるだけ高い方（９９％以上）が望ましい。これは、実施の形態１〜３で示した本発明の圧電薄膜材料と、従来の圧電薄膜材料の（００１）面または（１００）面の配向率と、圧電定数ｄ３１の変化率の相関関係より導き出される。図９に、実施の形態１〜３に示した圧電薄膜材料ＰＺＴ（００１）配向率と、圧電定数ｄ３１変化率の依存性グラフを示す。この図に示すように、圧電薄膜材料ＰＺＴ（００１）配向率が高くなる程、圧電定数ｄ３１の変化率は小さくなる傾向にあり、そのＰＺＴ（００１）配向率が９０％を超えた場合に、圧電定数ｄ３１の変化率が、角速度センサとして望ましい圧電薄膜材料の指針である１０％以下を実現することが可能となり、望ましくはＰＺＴ（００１）配向率が９９％以上で、圧電定数ｄ３１の変化率が、角速度センサとして更に望ましい圧電薄膜材料の指針である５％以下を実現することが可能となるためである。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明による角速度センサは、角速度センサにコリオリ力が印加された時の出力信号に乗るノイズ成分を極小化することが出来ると共に、角速度が小さい領域でも出力信号を確保できるため、Ｓ／Ｎを向上させることが出来、更に角速度センサの周辺温度が上昇した場合でも、損失（ロス）の増幅を抑えてノイズ成分を少なく出来るため、更に角速度センサのＳ／Ｎを向上させることが出来る。このため、車両用及び民生用の角速度センサに有用である。
【符号の説明】
【００８６】
１、２  アーム
３  基部
４  音叉
５  主面
６、７、４６、４７  側面
８、９  中心線
１０、１２  第１の電極
１１、１３  第２の電極
１４、１６  第１の圧電薄膜
１５、１７  第２の圧電薄膜
１８、２０  第３の電極
１９、２１  第４の電極
２２、２４  第５の電極
２３、２５  第６の電極
２６、２７  第３の圧電薄膜
４０  下部電極
４１  圧電薄膜
４２  上部電極
４３、４４、４５  レジスト
５０  角速度センサ
５１  検出素子
５２  基部
５３  駆動用電極
５４Ａ、５４Ｂ  駆動用アーム
５５Ａ  第１の検出用アーム
５５Ｂ  第２の検出用アーム
５７Ａ  第１の検出電極
５７Ｂ  第２の検出電極
５７Ｃ  第３の検出電極
５７Ｄ  第４の検出電極
５８Ａ  上部電極
５８Ｂ  下部電極
５８Ｃ  圧電体
３０、５９  シリコン基板
６０Ａ、６０Ｂ  錘（駆動用）
６１Ａ、６１Ｂ  錘（検出用）
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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