(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面およびこれとは反対の第２の面により規定される厚みを有する基板に対して前記厚みの方向にエッチングを施すことにより一体成形された、フレームと、振動子と、前記フレームおよび前記振動子を連結するためのトーションバーと、を備える角速度センサであって、
前記振動子は、支持部と、当該支持部から前記基板の面内方向に延出する一対の第１アームと、前記面内方向において前記第１アームとは反対方向に前記支持部から延出する一対の第２アームとを有するＨ型振動子であり、且つ、非圧電体よりなり、
前記Ｈ型振動子の第１の面には、前記振動子の面内振動を励起するための駆動用圧電素子と、前記振動子の面垂直振動を検出するための第１検出用圧電素子および第２検出用圧電素子とが設けられており、
前記駆動用圧電素子は、前記一対の第１アームの一方上、前記支持部上、および前記一対の第１アームの他方上にわたって設けられ、
前記第１検出用圧電素子は、前記一対の第２アームの一方上および前記支持部上にわたって設けられ、
前記第２検出用圧電素子は、前記一対の第２アームの他方上および前記支持部上にわたって設けられていることを特徴とする、角速度センサ。
【請求項２】
更に、前記フレームから前記トーションバーを通って前記駆動用圧電素子または前記検出用圧電素子に接続するようにパターン形成された配線を有する、請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記基板には、前記駆動用圧電素子に電気的に接続された駆動回路と、前記検出用圧電素子に電気的に接続された検出回路が設けられている、請求項１または２に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転する物体の角速度を検出するための角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラの手振れ検知技術やカーナビゲーションの自立走行システムにおいて、振動型ジャイロスコープによる角速度センサが広く使用されている。また、角速度センサの分野においては、車両の走行安定性を向上すべく、車両横滑り防止システムやカーブ走行時の姿勢制御システムなどに採用し得る程度にまで小型で且つ高精度化および高信頼性化が図られたものが強く求められている。
【０００３】
圧電材を用いた従来の角速度センサとしては、振動子の形状に基づいて類別されたビーム型および音叉型のものがある。図２６は、従来のビーム型角速度センサの一例である角速度センサ８００を表す。図２６（ａ）は、角速度センサ８００の斜視図であり、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）の線Ｂ１−Ｂ１に沿った断面図である。角速度センサ８００は、ビーム形状ないし直方状の振動子８１０と、これを図外の支持体に対して固定するための支持ワイヤ８２０と、駆動用圧電素子８３０と、一対の検出用圧電素子８４０とを備える。振動子８１０は、エリンバなどの恒弾性金属よりなり、接地されている。支持ワイヤ８２０にはピアノ線などが用いられる。駆動用圧電素子８３０は、振動子８１０上に形成された圧電体８３１と、これに積層形成された電極８３２とからなる。一対の検出用圧電素子８４０は、各々、振動子８１０において駆動用圧電素子８３０が設けられた面に対して垂直な面に設けられ、振動子８１０上に形成された圧電体８４１と、これに積層形成された電極８４２とからなる。圧電体８３１，８４１には圧電セラミックが用いられる。
【０００４】
このような構成の角速度センサ８００において、駆動用圧電素子８３０に対して所定の交流電圧を印加すると、圧電体８３１が逆圧電効果によって伸縮し、これに起因して振動子８１０がＸ軸方向に屈曲振動する。この状態において、振動子８１０をＺ軸回りに角速度ωで回転させると、振動子８１０に対して、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆ（Ｆ＝−２ｍＶω、ｍ；振動子質量、Ｖ；振動速度）が作用し、振動子８１０はＹ軸方向にも振動する。すなわち、振動子８１０の屈曲振動は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の成分を有する合成振動となる。合成振動する振動子８１０におけるＹ軸に垂直な面の歪みは、検出用圧電素子８４０の圧電体８４１による圧電効果に基づいて検出され、検出用圧電素子８４０からは、コリオリ力Ｆないし角速度ωに比例した出力が得られる。
【０００５】
図２７は、従来の音叉型角速度センサの一例である角速度センサ９００を表す。角速度センサ９００は、音叉形状の振動子９１０と、駆動用圧電素子９２０と、一対の検出用圧電素子９３０とを備える。振動子９１０は、エリンバなどの恒弾性金属より構成され、又部９１１と、これから延出する２本のアーム９１２，９１３とからなり、接地されている。アーム９１２は、駆動板９１２ａおよびこれに直交して接合された検出板９１２ｂからなり、アーム９１３は、駆動板９１３ａおよびこれに直交して接合された検出板９１３ｂからなる。駆動用圧電素子９２０は、アーム９１２の駆動板９１２ａに設けられ、圧電体９２１と、これに積層形成された電極９２２とからなる。一対の検出用圧電素子９３０は、各々、検出板９１２ｂ，９１３ｂに設けられ、圧電体９３１と、これに積層形成された電極９３２とからなる。検出用圧電素子９３０は、駆動用圧電素子９２０に対して直交に配向するように配設されている。
【０００６】
このような構成の角速度センサ９００において、駆動用圧電素子９２０に対して所定の交流電圧を印加すると、圧電体９２１の逆圧電効果に基づいて、アーム９１２およびアーム９１３は、Ｘ軸方向において図中矢印で示すような音叉振動する。このとき、振動子９１０をＺ軸回りに角速度ωで回転させると、上記の式に基づいて、振動子９１０にはＹ軸方向にコリオリ力Ｆが作用し、アーム９１２，９１３がＹ軸方向にも振動する。アーム９１２，９１３におけるＹ軸に垂直な面の歪みを、検出用圧電素子９３０による圧電効果に基づいて検出することによって、コリオリ力Ｆないし角速度ωに比例した出力が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のビーム型角速度センサ８００では、支持ワイヤ８２０を介して振動子８１０を支持するための支持部材（図示略）と、当該振動子８１０とを別々に作製し、スポット溶接や接着材などによってこれらを組立てる必要があった。このように支持構造の形成が煩雑なため、ビーム型角速度センサ８００は、製造効率の観点より好ましくなかった。また、従来の音叉型角速度センサ９００では、駆動板９１２ａ，９１３ａおよび検出板９１２ｂ，９１３ｂを有する音叉形状の振動子９１０の加工および組立て、および、振動子９１０に対する圧電素子９２０，９３０の形成が煩雑であるため、やはり製造効率の観点より好ましくなかった。
【０００８】
例えば、特開２００１−１１６５５１号公報には、音叉型振動子と支持部とを別々に作製し、これらを接着剤等で固定することによって角速度センサを組立てる技術が開示されている。また、特開２０００−２１３９４０号公報および特開２００１−１６５６６４号公報には、圧電体材料により振動子を形成した角速度センサが開示されているが、これらの角速度センサでは、振動子の互いに直交する側面に電極が配設されているため、プロセス工程が多くなり且つ煩雑な工程を経る必要があるので生産性が低いという問題がある。一方、特開平７−１５９１８０号公報には、シリコン単結晶の特定の結晶面を利用して、シリコン基板表面に対して傾斜する方向への異方性エッチングを施して振動子を形成するための技術が開示されているが、この手法は、エッチングの制御が困難であるため、再現性および生産性の点で問題を有する。
【０００９】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、上述の従来の問題点を解消ないし軽減することを課題とし、生産性に優れるとともに、小型で高性能な角速度センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によって提供される角速度センサは、第１の面およびこれとは反対の第２の面により規定される厚みを有する基板に対して厚みの方向にエッチングを施すことにより一体成形された、フレームと、振動子と、フレームおよび振動子を連結するためのトーションバーと、を備える角速度センサであって、振動子は、支持部と、当該支持部から基板の面内方向に延出する一対の第１アームと、面内方向において第１アームとは反対方向に支持部から延出する一対の第２アームとを有するＨ型振動子であり、Ｈ型振動子の第１の面には、振動子の面内振動を励起するための駆動用圧電素子と、振動子の面垂直振動を検出するための検出用圧電素子とが設けられていることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によると、生産性に優れるとともに、小型で高性能な角速度センサを得ることができる。本発明に係る角速度センサでは、基板に対してエッチングを施すことにより、フレームと振動子とこれらを連結するトーションバーとが一体成形されている。したがって、例えばシリコン基板に対する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたマイクロマシニング技術により、フレーム、振動子およびトーションバーからなる微小立体構造を一体成形することができる。そして、シリコンウエハにおいて、各部位のエッチング加工を複数の角速度センサ形成部位に対して行うバッチ処理によって、角速度センサの大量生産が可能となり、生産性を向上させることができる。また、本発明における駆動用圧電素子および検出用圧電素子は、全て、振動子の第１の面に対して設けられている。そのため、駆動用圧電素子および検出用圧電素子は、蒸着やスパッタリングや印刷などの成膜技術をＨ型振動子の一面のみに対して行うことにより、形成できる。すなわち、Ｈ型振動子の第１の面以外の側面等に圧電膜や電極を形成する必要はなく、比較的簡易なプロセスで角速度センサを作製可能であるため、角速度センサの生産性および信頼性の向上が図られる。更に、Ｈ型振動子では、ビーム型振動子や音叉型振動子ほど振動に影響を与えることなく振動子の不動点を容易に支持することができる。そのため、振動子に作用するコリオリ力の検出において、Ｈ型振動子は、ビーム型振動子や音叉型振動子よりも感度よく歪むことができる。このように、本発明によると、半導体加工技術をベースとしたマイクロマシニング技術によって、小型で高性能な角速度センサを、生産性よく製造することが可能なのである。
【００１２】
好ましくは、Ｈ型振動子は、アーム延出方向に対して平行であって互いに直交する２つの対称面を有する形状とされている。このような対称的な形状によって、Ｈ型振動子において、より良好な性能を確保することができる。
【００１３】
好ましくは、駆動用圧電素子は第１アームに設けられ、検出用圧電素子は第２アームに設けられている。或いは、駆動用圧電素子は、一対の第１アームと支持部とにより規定される又部に設けられ、検出用圧電素子は、少なくとも第２アームに設けられている。一対の第１アームと支持部との接合部における又部に駆動用圧電素子を設けることによって、Ｈ型振動子を効率よく励振することができるとともに、駆動用圧電素子が設けられていない第２アームに対して検出用圧電素子を広面積で設けることによって、Ｈ型振動子の歪みを効率よく検出することができるのである。
【００１４】
好ましくは、駆動用圧電素子は、Ｈ型振動子のアーム延出方向に延びる仮想中心線に対して対称に複数個設けられている。このような構成によって、Ｈ型振動子のバランスを保ち、信頼性の高い角速度センサを得ることができる。
【００１５】
好ましくは、駆動用圧電素子および／または検出用圧電素子は、スパッタリング、蒸着、または印刷により成膜された圧電膜と当該圧電膜を挟む一対の電極によって構成されている。或は、駆動用圧電素子および／または検出用圧電素子は、成形加工された圧電体と当該圧電体を挟む一対の電極によって構成されている。また、基板として低抵抗基板を用いる場合、駆動用圧電素子および／または検出用圧電素子は、絶縁膜を介してＨ型振動子に設けられている。ただし、基板として高抵抗基板を用いる場合には、駆動用圧電素子および／または検出用圧電素子は、絶縁膜を介さずにＨ型振動子上に直接的に設けてもよい。
【００１６】
好ましくは、一対の第１アームは、平行に離隔するとともにフレームに対して平行に形成されており、一対の第２アームは、平行に離隔するとともにフレームに対して平行に形成されており、一対の第１アームの離隔距離と、一対の第２アームの離隔距離と、第１アームおよびフレームの離隔距離と、第２アームおよびフレームの離隔距離とは等しい。このような構成によると、材料基板に施すエッチングにおいて、一対のアーム間のエッチングレートと、アームおよびフレームの間のエッチングレートとを同一とすることができ、その結果、アームおよびフレームの断面形状のばらつきを抑え、これらを良好に形成することが可能となる。また、このような構成に代えて、一対の第１アームは平行に離隔するとともに一対の第２アームは平行に離隔しており、基板に対するエッチングを、フレームへと形成される部位とＨ型振動子へと形成される部位との間において、フレーム、Ｈ型振動子およびトーションバーをマスクするための主レジストパターンに対して、一対の第１アームの離隔距離および一対の第２アームの離隔距離と同一の距離を隔てて設けられたエッチング幅調整用レジストパターンを介して行うことによって、各エッチング箇所について、エッチング幅を等しくしてエッチングレートを同一としてもよい。このような構成を採用する場合、エッチング幅調整用レジストパターンを、主レジストパターンにおけるフレームをマスクするための部位に接続し、その結果得られる角速度センサにおいて、基板においてエッチング幅調整用レジストパターンにマスクされていた部位をフレームに固定するようにしてもよい。
【００１７】
好ましくは、本発明の角速度センサは、更に、フレームからトーションバーを通って駆動用圧電素子または検出用圧電素子に接続するようにパターン形成された配線を有する。また、基板には、駆動用圧電素子に電気的に接続された駆動回路と、検出用圧電素子に電気的に接続された検出回路が設けられている。このような構成によると、角速度センサを効率よく製造することができる。
【００１８】
好ましくは、一対の第１アームおよび一対の第２アームの先端には、嵩高部が形成されている。或いは、一対の第１アームおよび一対の第２アームの先端には、重り部が設けられている。このような構成によって、Ｈ型振動子に対して、より大きなコリオリ力を発生させることができる。その結果、アームの振動変位量が増大し、Ｈ型振動子の感度が向上する。
【００１９】
好ましくは、トーションバーは、Ｈ型振動子の支持部とフレームとを連結している。トーションバーの厚さは、エッチングに付される基板の厚さに等しいか、又は、基板の厚さよりも薄いのが好ましい。加えて、トーションバーの延び方向に対する横断面形状は、当該断面の中心を通って直交する２軸に対して対称な形状であるのが好ましい。これらの構成を採用することによって、Ｈ型振動子に応じた適切なトーションバーが形成される。また、好ましくは、Ｈ型振動子の支持部に連結される一対のトーションバーの重心は、Ｈ型振動子の重心に合致される。
【００２０】
好ましくは、アーム延出方向において、一対の第１アームおよび一対の第２アームは支持部よりも短い。このような構成によると、支持部において捩れ振動の少ない部分が増加するので、支持部に接続するトーションバーの形成が容易となる。加えて、より大きなトーションバーを形成することによって、トーションバーの機械的強度を向上することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態に係る角速度センサ１０１を表す。図１は、角速度センサ１０１の平面図である。図２および図３は、図１の線II−IIおよび線III−IIIに沿った断面図である。
【００２２】
図１に示すように、角速度センサ１０１は、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、これらを連結する一対のトーションバー３０と、Ｈ型振動子１０に設けられた駆動用圧電素子４０および一対の検出用圧電素子５０，６０とを有する。Ｈ型振動子１０、フレーム２０およびトーションバー３０は、材料基板としてのシリコン基板に対して反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）または結晶異方性エッチングを施すことによって、一体成形されたものである。具体的には、例えば厚さ５００μｍのシリコン基板の片面にエッチングマスクとしてのフォトレジストや金属膜をパターン形成し、当該エッチングマスクを介して基板の片面からＤｅｅｐ−ＲＩＥを行うことによって、或は、基板の両面にエッチングマスクとしてのフォトレジストや金属膜をパターン形成し、当該エッチングマスクを介して基板の両面から結晶異方性エッチングを行うことによって、各部位が形成されている。本発明でＤｅｅｐ−ＲＩＥを採用する場合、エッチングと側壁保護を交互に行うＢｏｓｃｈプロセスにおいて、例えば、ＳＦ6ガスによるエッチングを８秒間程度行い、Ｃ4Ｆ8ガスによる側壁保護を７秒間程度行い、ウエハに印加するバイアスは２０Ｗ程度とする。ウェットエッチングである結晶異方性エッチングを採用する場合には、エッチング液としてＥＰＷ（エチレンジアミン＋ピロカテコール＋水）液やＫＯＨ水溶液を用いる。
【００２３】
Ｈ型振動子１０は、支持部１１と、これから延出する一対の第１アーム１２ａ，１２ｂと、第１アーム１２ａ，１２ｂとは反対方向へ支持部１１から延出する一対の第２アーム１３ａ，１３ｂとからなる。本実施形態では、例えば支持部１１の長さＬ１は１０００μｍ、幅Ｌ２は１１００μｍ、厚さは上述の材料基板の厚さと同じ５００μｍである。一対の第１アーム１２ａ，１２ｂは、互いに同一形状を有して平行に延びており、長さＬ３は２５００μｍ、幅Ｌ４は５００μｍ、厚さは材料基板と同じ５００μｍであって、互いの離隔距離Ｌ５は１００μｍである。同様に、一対の第２アーム１３ａ，１３ｂは、互いに同一形状を有して平行に延びており、長さＬ３は２５００μｍ、幅Ｌ４は５００μｍ、厚さは５００μｍであって、互いの離隔距離Ｌ５は１００μｍである。Ｈ型振動子１０は、図１および図２に示すように、アーム延出方向に対して平行な対称面Ａ１−Ａ１を有するとともに、アーム延出方位に対して平行であって対称面Ａ１−Ａ１に対して直交する対称面Ａ２−Ａ２を有する対称性の高い形状に形成されている。
【００２４】
材料基板からの一体成形において、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを採用すると、第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの断面形状は、図２（ａ）に示すように、正方形とすることができる。一方、結晶異方性エッチングによる両面エッチングを採用すると、図２（ｂ）に示すように、六角形とすることができる。アーム断面を六角形状とする場合には、上述のアーム幅Ｌ４は表面幅を示し、第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ、１３ｂは、表面幅Ｌ４よりも太い最大幅Ｌ４’を有するものとする。例えば、シリコン基板の（１００）面を利用して結晶異方性エッチングを行う場合、表面幅Ｌ４を５００μｍとすると、表面幅Ｌ４よりも約３５０μｍ程度太い最大幅Ｌ４’を有することとなる。このように、アーム断面を正方形や六角形のような対称的な形状とすることができるので、Ｈ型振動子１０においてドリフトの低減を図ることが可能となる。
【００２５】
一対のトーションバー３０は、各々、図１に示すように、Ｈ型振動子１０に対して、支持部１１にて、Ｈ型振動子１０のアーム延出方向の中央で連結している。本実施形態では、例えばトーションバー３０の長さＬ６は５００μｍ、幅Ｌ７は５００μｍ、厚さＬ８は５００μｍである。トーションバー３０の断面形状は、材料基板からの一体成形においてＤｅｅｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを採用する場合には、図３（ａ）に示すように、正方形とすることができる。一方、結晶異方性エッチングによる両面エッチングを採用する場合には、図３（ｂ）に示すように、六角形とすることができる。トーションバー断面を六角形状とする場合には、上述の幅Ｌ７は表面幅を示し、トーションバー３０は、表面幅Ｌ７よりも太い最大幅Ｌ７’を有するものとする。例えば、シリコン基板の（１００）面を利用して結晶異方性エッチングを行う場合、表面幅Ｌ７を５００μｍとすると、表面幅Ｌ７よりも約３５０μｍ程度太い最大幅Ｌ７’を有することとなる。このように、トーションバー３０の断面形状は、強度の観点から、当該断面の中心を通って直交する２軸Ａ３−Ａ３，Ａ４−Ａ４に対して対称な形状であるのが好ましい。また、本発明においては、トーションバー３０の捩れ抵抗を低減すべく、図３（ｃ）に示すように、トーションバー３０の断面をより小寸法に設計してもよい。具体的には、トーションバー３０の幅Ｌ７を小さくするとともに、厚さＬ８を材料基板の厚さ５００μｍよりも小さくする。トーションバー３０の形状は、センサ感度に多大な影響を与えるところ、本発明では、トーションバー３０の厚さを上述のように基板の厚さに対して等しいか又は薄くすることによって、トーションバー３０の捩れ抵抗を低下し、その結果、Ｈ型振動子１０の高感度化を達成することができる。また、トーションバー３０について断面を正方形や六角形とするとともに厚みを小さくし、且つ、一対のトーションバー３０の重心を支持部１１に在るＨ型振動子１０の重心に一致させることによって、トーションバー３０の曲げ強度を確保しつつ捩れ抵抗を下げることができるとともに、Ｈ型振動子の感度を高めることができる。これらの構成によって、Ｈ型振動子１０においてドリフトの低減を図ることができ、高性能な角速度センサ１０１を製造することが可能となる。
【００２６】
フレーム２０について、本実施形態では、例えばアーム延出方向の長さＬ９は７０００〜９０００μｍとされ、幅Ｌ１０は３１００〜４１００μｍである。本実施形態においては、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂとフレーム２０との離隔距離Ｌ１１は、５００μｍであって、トーションバー３０の長さＬ６に等しく、第１アーム１２ａ，１２ｂ間の離隔距離Ｌ５は１００μｍである。また、図１に示すように、第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの先端とフレーム２０との離隔距離Ｌ１１’も５００μｍである。
【００２７】
このように一対のアームの離隔距離Ｌ５とアーム−フレーム間距離Ｌ１１，Ｌ１１’とが異なる設計において、図１０および図１１を参照して後述するように材料基板に対するエッチングを行う際には、図４および図５に示すように、レジストパターン１１６に加えてエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を有するレジストパターンを用いるのが好ましい。レジストパターン１１６は、材料基板においてＨ型振動子１０、フレーム２０およびトーションバー３０へと形成される領域をマスクするためのものである。エッチング幅調整用レジストパターン１１６’は、レジストパターン１１６から一定の間隔で形成されている。図４は、エッチング幅調整用レジストパターン１１６’が、レジストパターン１１６から独立する場合を表す。図５は、エッチング幅調整用レジストパターン１１６’が、その架橋部１１６’ａを介してレジストパターン１１６に接続している場合を表す。例えばレジストパターン１１６およびエッチング幅調整用レジストパターン１１６’の離隔距離Ｌ１２は１００μｍであり、一対のアームの離隔距離Ｌ５に等しい。上述のように、本実施形態では、一対のアームの離隔距離Ｌ５とフレーム−アーム間の離隔距離Ｌ１１，Ｌ１１’とが異なるところ、レジストパターン１１６に加えてエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を有するレジストパターンを、図４および図５に示すように形成することにより、各部位を形成するためのエッチングにおいてエッチングレートを同一とすることができる。その結果、フレーム２０、第１アーム１２ａ，１２ｂ、および第２アーム１３ａ，１３ｂの断面形状のばらつきを適切に抑制することが可能となる。
【００２８】
ただし、図４に示した態様のレジストパターンを介してシリコン基板に対してエッチングを施すと、シリコン基板においてエッチング幅調整用レジストパターン１１６’にマスクされていた部分は、シリコン基板ないしフレーム２０から分離することとなる。そのため、シリコン基板に対するエッチング終了と同時か、または、その後の工程で、当該分離部分は、シリコン基板から外れる際に振動子を傷付ける可能性がある。ここで、その後の工程とは、例えば、エッチングのストップ層としてシリコン基板の裏面にＳｉＯ2膜またはレジスト膜が設けられている場合において、エッチング終了後に当該ＳｉＯ2膜またはレジスト膜を除去する工程をいう。振動子に傷が付くということは、アーム形状の対称性が崩れるということであり、角速度センサの性能に影響を与える。これに対して、図５に示したマスクパターンを介してシリコン基板にエッチングを施す場合、シリコン基板においてエッチング幅調整用レジストパターン１１６’にマスクされていた部分は、架橋部１１６’ａにマスクされていた部位を介してシリコン基板ないしフレーム２０に固定されることとなる。そのため、エッチング終了と同時においてもその後の工程においても、シリコン基板においてエッチング幅調整用レジストパターン１１６’にマスクされていた部分は、振動子に損傷を与えることはない。
【００２９】
また、本発明では、エッチング幅調整用レジストパターン１１６’を用いる方法に代えて、例えば図２（ｃ）に示すように、第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂとフレーム２０との離隔距離Ｌ１１を２００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２ｂ間の離隔距離および第２アーム１３ａ，１３ｂ間の離隔距離Ｌ５を２００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの先端とフレーム２０との離隔距離Ｌ１１’を２００μｍとして、３種類の離隔距離を等しくしてもよい。このような構成によると、材料基板に対するエッチングレートについて、エッチング幅調整用レジストパターン１１６’を用いることなく、アーム−アーム間とフレーム−アーム間とで同一とすることができる。
【００３０】
駆動用圧電素子４０は、図１に示すように、第１アーム１２ａ，１２ｂと支持部１１とにより規定される又部１１’、すなわち、第１アーム１２ａと支持部１１と第１アーム１２ｂとにわたる箇所に設けられている。また、駆動用圧電素子４０は、下部電極４１と、上部電極４３と、これらに挟まれた圧電膜４２とによる積層構造を有する。下部電極４１は、一方のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７１を介して駆動下部電極パッド８１に接続されている。上部電極４３は、もう一方のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７３を介して駆動上部電極パッド８３に接続されている。圧電膜４２は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどによって構成される。また、電極４１，４３は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどによって構成される。
【００３１】
検出用圧電素子５０，６０は、図１に示すように、第２アーム１３ａと支持部１１との接合部、および、第２アーム１３ｂと支持部１１との接合部に各々設けられている。Ｈ型振動子１０において、支持部１１とアームとの接合部が最も歪むので、本実施形態の検出用圧電素子５０，６０は、Ｈ型振動子１０の振動を感度よく検出することができる。検出用圧電素子５０は、下部電極５４と、上部電極５６と、これらに挟まれた圧電膜５５とによる積層構造を有する。下部電極５４は、一方のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７４を介して検出下部電極パッド８４に接続されている。上部電極５６は、同一のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７６を介して検出上部電極パッド８６に接続されている。また、検出用圧電素子６０は、下部電極６７と、上部電極６９と、これらに挟まれた圧電膜６８とによる積層構造を有する。下部電極６７は、一方のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７７を介して検出下部電極パッド８７に接続されている。上部電極６９は、同一のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７９を介して検出上部電極パッド８９に接続されている。圧電膜５５，６８は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどによって構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどによって構成される。
【００３２】
このような構成の角速度センサ１０１において、駆動用圧電素子４０に対して所定の交流電圧を印加すると、圧電膜４２が逆圧電効果によって伸縮し、これに起因して一対の第１アーム１２ａ，１２ｂが図１におけるＸ軸方向において、互いに逆位相で屈曲振動ないし面内振動Ｖ１，Ｖ２する。これに伴い、第２アーム１３ａ，１３ｂも、Ｘ軸方向において、互いに逆位相で屈曲振動ないし面内振動Ｖ１，Ｖ２する。駆動において最適な印加電圧周波数は、第１アーム１２ａ，１２ｂの面内振動モードと略等しい周波数であり、Ｈ型振動子１０のサイズ条件などによって決まるところ、本実施形態では約８０ｋＨｚの交流電圧によって駆動する。これによって、Ｈ型振動子１０を効率的に駆動でき、高感度の角速度センサ１０１を実現できる。Ｈ型振動子１０を定常的に振動させた状態において、Ｈ型振動子１０がＺ軸回りに角速度ωで回転すると、Ｈ型振動子１０は、Ｙ軸方向すなわち図１の紙面に対して垂直方向にコリオリ力Ｆ（Ｆ＝−２ｍＶω、ｍ；振動子質量、Ｖ；振動速度）を受ける。すると、Ｈ型振動子１０の屈曲振動は、振動モードが変わり、面垂直方向すなわちＹ軸方向にも振動するようになる。このように振動するＨ型振動子１０におけるＹ軸に垂直な面の歪みは、検出用圧電素子５０，６０の圧電膜５５，６８による圧電効果に基づいて検出され、検出用圧電素子５０，６０からは、コリオリ力Ｆないし角速度ωに比例した出力が得られる。
【００３３】
図６に示すように、Ｈ型振動子１０が面内振動を行う駆動モードにおいては、最も歪みの大きな部分は、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂによって規定される又部１１’、および、支持部１１と第２アーム１３ａ，１３ｂによって規定される又部１１’である。そのため、本実施形態では、図1に示すように、駆動用圧電素子４０をＨ型振動子１０の又部１１’に設置し、これによって、Ｈ型振動子１０の駆動を効率良く行うことができる。
【００３４】
第２アーム１３ａに配設した検出用圧電素子５０からの検出信号、および、第２アーム１３ｂに配設した検出用圧電素子６０からの検出信号は、例えば、図７に示すような差動回路として構成された検出回路でとることができる。図７に示すような差動回路によると、検知感度を向上することができるとともに、外来ノイズを低減することもできる。なお、図７に示す差動回路において、図中の一点鎖線より左側の領域のゲインは１＋（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１で表され、一点鎖線より右側の領域のゲインはＲ６／Ｒ５（但し、Ｒ５＝Ｒ４，Ｒ６＝Ｒ７である）で表される。
【００３５】
図８は、図１に示す角速度センサ１０１をパッケージングした場合の、図１の線II−IIに沿った断面図である。角速度センサ１０１は、Ｈ型振動子１０とフレーム２０とがトーションバー３０を介して一体成形された構造をとる。そのため、角速度センサ１０１のパッケージングは、図８（ａ）に示すように、陽極接合法や直接接合法等によって、ガラスやＳｉのパッケージング部材９０ａとフレーム２０とを、スペーサ９０ｂを介して接合することにより容易に行うことができる。或いは、図８（ｂ）に示すように、ガラスやＳｉのパッケージング部材９０ａに対してＲＩＥまたはサンドブラスト加工の技術によって予め退避部９０ａ’を形成し、このパッケージング部材９０ａを、陽極接合や直接接合法等によって、角速度センサ１０１に接合してもよい。
【００３６】
図９は、図１に示す角速度センサ１０１の製造方法における一部の工程の一例を表す。図１０は図９に続く工程を表す。図９および図１０は、製造工程における、図１の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面形状の様子を表す。角速度センサ１０１の製造においては、まず、図９（ａ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、熱酸化法等により、ＳｉＯ2よりなる酸化膜１１１を成膜し、更に、角速度センサ１０１において最終的に下部電極４１，５４，６７などにパターン形成される金属膜１１２を、Ａｌなどの金属材料のスパッタリングまたは蒸着等により成膜する。酸化膜１１１の膜厚は０．２μｍ程度であり、金属膜１１２の膜厚は０．１μｍ程度である。酸化膜１１１は、シリコン基板Ｓとして抵抗率がおよそ１０００Ωｃｍ未満の低抵抗基板を使用する場合に、完成品の角速度センサ１０１において不要な容量成分が発生するのを防ぐために形成されるものである。したがって、シリコン基板Ｓとして、抵抗率がおよそ１０００Ωｃｍ以上の高抵抗基板を使用する場合には、酸化膜１１１は成膜しなくともよい。
【００３７】
次に、図９（ｂ）に示すように、所定のエッチングマスクを介して、金属膜１１２をエッチングする。エッチングは、ドライエッチングまたはウェットエッチングで行う。ウェットエッチングの場合、エッチング液としては、リン酸、酢酸、硝酸などを主成分とするものなどを使用することができる。このエッチングによって、Ｈ型振動子１０に成形される領域に下部電極４１，５４，６７がパターン形成され、フレーム２０に成形される領域に下部電極パッド８１，８４，８７がパターン形成され、且つ、これらを接続する配線７１，７４，７７がパターン形成される。
【００３８】
次に、図９（ｃ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどの圧電材料のスパッタリング、蒸着、または印刷等によって、圧電薄膜１１３を積層形成する。圧電薄膜１１３の膜厚は、Ｈ型振動子１０を所望の周波数で振動させるのに必要な膜厚、例えば１μｍ程度である。そして、図９（ｄ）に示すように、所定のエッチングマスクを介して、当該圧電薄膜１１３をエッチングする。このとき、ウェットエッチングを採用する場合、エッチング液としては、酢酸水溶液などを使用することができる。このエッチングによって、下部電極４１，５４，６７に重なる圧電膜４２，５５，６８がパターン形成される。
【００３９】
次に、図９（ｅ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、金属膜１１４を、Ａｌなどの金属材料のスパッタリングまたは蒸着等により成膜する。金属膜１１４の膜厚は１μｍ程度である。そして、図９（ｆ）に示すように、所定のエッチングマスクを介して、当該金属膜１１４をエッチングする。エッチングは、ドライエッチングまたはウェットエッチングで行う。ドライエッチングの場合、エッチングガスとしては、ＢＣｌ3およびＣｌ2の混合ガスなどを使用することができる。このエッチングによって、圧電膜４２，５５，６８に重なる上部電極４３，５６，６９と、フレーム２０に成形される領域の上部電極パッド８３，８６，８９と、これらを接続する配線７３，７６，７９とがパターン形成される。
【００４０】
以上のようにして、シリコン基板Ｓ上において、駆動用圧電素子４０、検出用圧電素子５０，６０、およびこれらに伴う配線構造を形成した後、図１０（ａ）に示すように、フォトレジスト１１５を、シリコン基板Ｓに対して積層する。次に、図１０（ｂ）に示すように、露光および現像を経てフォトレジスト１１５をパターンニングしてレジストパターン１１６を形成する。レジストパターン１１６は、角速度センサ１０１における、Ｈ型振動子１０、フレーム２０、およびトーションバー３０に対応する平面視形態を有し、駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０を覆っている。次に、図１０（ｃ）に示すように、レジストパターン１１６を介して、シリコン基板Ｓを貫通するまで、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥを行う。これによって、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体成形される。この後、図１０（ｄ）に示すように、レジストパターン１１６を除去することによって、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体となって、Ｈ型振動子１０上に駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速度センサ１０１が完成する。ただし、本発明では、図１０（ｂ）に示す工程において、図４および図５を参照して上述したように、レジストパターン１１６とともにエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を形成してもよい。これによって、図１０（ｃ）に示す工程において、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによる各エッチング箇所のエッチングレートを同一とすることができる。
【００４１】
図１０には、図９に示す一連の工程の後における、Ｈ型振動子１０、フレーム２０、およびトーションバー３０の一体成形に際して、片面エッチングを採用する場合の工程を表した。本発明では、これに代えて、以下のような両面エッチングを採用することもできる。両面エッチングにおいては、まず、図９に示す一連の工程の後に、図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照して説明した工程を経て、図１１（ａ）に示すような状態とする。すなわち、シリコン基板Ｓに対してフォトレジスト１１５を積層し、露光および現像を経てレジストパターン１１６を形成する。次に、図１１（ｂ）に示すように、レジストパターン１１６を介して、シリコン基板Ｓの中間位置まで、ウェットエッチングである結晶異方性エッチングを行う。これによって、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０の基板上位半分が形成されたこととなる。次に、図１１（ｃ）に示すように、シリコン基板Ｓに対してフォトレジスト１１７を積層する。次いで、図１１（ｄ）に示すように、露光および現像を経て、フォトレジスト１１７をパターニングしてレジストパターン１１８を形成する。次に、図１１（ｅ）に示すように、レジストパターン１１８を介して、シリコン基板Ｓの中間位置にて貫通するまで、結晶異方性エッチングを行う。これによって、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体成形される。この後、図１１（ｆ）に示すように、レジストパターン１１６，１１８を除去することによって、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体となって、Ｈ型振動子１０上に駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速度センサ１０１が完成する。ただし、本発明では、図１１（ａ）および図１１（ｄ）に示す工程において、図４および図５を参照して上述したように、レジストパターン１１６，１１８とともにエッチング幅調整用レジストパターンを形成してもよい。これによって、図１１（ｂ）および図１１（ｅ）に示す工程において、結晶異方性エッチングによる各エッチング箇所のエッチングレートを同一とすることができる。
【００４２】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ１０２の平面図である。図１３は、図１２の線XIII−XIIIに沿った断面図である。角速度センサ１０２は、駆動用圧電素子４０、検出用圧電素子５０，６０、および配線構造の一部の形態において、角速度センサ１０１と異なる。具体的には、駆動用圧電素子４０は、下部電極４１と、上部電極４３と、これらに挟まれた圧電体４２’とによる積層構造を有する。圧電体４２’は、１００μm程度の厚みを有する。下部電極４１は、一方のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７１を介して駆動下部電極パッド８１に接続されている。上部電極４３は、ワイヤ７３’を介して駆動上部電極パッド８３に接続されている。ワイヤ７３’は例えば金よりなる。圧電体４２’は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどによって構成される。また、電極４１，４３は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどによって構成される。ただし、本発明においては、駆動用圧電素子４０の圧電体４２’と下部電極４１との間に、圧電素子の下部電極の一部として、更に、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどにより構成される金属膜を介在させてもよい。
【００４３】
検出用圧電素子５０は、下部電極５４と、上部電極５６と、これらに挟まれた圧電体５５’とによる積層構造を有する。下部電極５４は、一方のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７４を介して検出下部電極パッド８４に接続されている。上部電極５６は、例えば金よりなるワイヤ７６’を介して検出上部電極パッド８６に接続されている。また、検出用圧電素子６０は、下部電極６７と、上部電極６９と、これらに挟まれた圧電体６８’とによる積層構造を有する。下部電極６７は、一方のトーションバー３０の上を通ってパターン形成された配線７７を介して検出下部電極パッド８７に接続されている。上部電極６９は、例えば金よりなるワイヤ７９’を介して検出上部電極パッド８９に接続されている。圧電体５５’，６８’は、１００μm程度の厚みを有し、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどによって構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどによって構成される。ただし、本発明においては、検出用圧電素子５０の圧電体５５’と下部電極５４との間に、圧電素子の下部電極の一部として、更に、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどにより構成される金属膜を介在させてもよい。同様に、検出用圧電素子６０の圧電体６８’と下部電極６７との間に、圧電素子の下部電極の一部として、更に、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどにより構成される金属膜を介在させてもよい。また、本発明では、フレーム２０上に設けられた上部電極パッド８３，８６，８９を有しない構成を採用することもできる。その場合、上部電極４３，５６，６９に接続するワイヤ７３’，７６’，７９’の一端は、角速度センサ１０２のための駆動回路または検出回路に対して直接に接続される。
【００４４】
このような構成の角速度センサ１０２において、駆動用圧電素子４０に対して所定の交流電圧を印加すると、圧電体４２’が逆圧電効果によって伸縮する。これに起因して、Ｈ型振動子１０における一対の第１アーム１２ａ，１２ｂおよび一対の第２アーム１３ａ，１３ｂは、図１２におけるＸ軸方向において面内振動Ｖ１，Ｖ２する。このようにＨ型振動子１０を定常的に振動させた状態において、Ｈ型振動子１０がＺ軸回りに角速度ωで回転すると、Ｈ型振動子１０の振動モードは変わり、Ｈ型振動子１０は面垂直方向すなわちＹ軸方向にも振動するようになる。Ｈ型振動子１０におけるＹ軸に垂直な面の歪みは、検出用圧電素子５０，６０の圧電体５５’，６８’による圧電効果に基づいて検出され、検出用圧電素子５０，６０からは、角速度ωに比例した出力が得られる。検出用圧電素子５０，６０からの検出信号は、例えば、図７に示すような検出回路でとることができる。
【００４５】
角速度センサ１０２の有する駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０の圧電体４２’,５５’，６８’は、角速度センサ１０１における圧電膜４２，５５，６８よりも分厚く、従って圧電定数の大きなものが得られ易い。このような駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０を備えているため、圧電定数の観点から、角速度センサ１０２は角速度センサ１０１よりも高性能化を図ることが可能である。
【００４６】
図１４および図１５は、角速度センサ１０２の製造方法の一例を表す。図１４および図１５は、製造工程における、図１２の線XIII−XIIIに沿った断面形状の様子を表す。まず、図１４（ａ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、熱酸化法等により酸化膜１１１を成膜し、更に、角速度センサ１０２において最終的に下部電極４１，５４，６７などにパターン形成される金属膜１１２を成膜する。ただし、シリコン基板Ｓとして抵抗率がおよそ１０００Ωｃｍ以上の高抵抗基板を使用する場合には、酸化膜１１１は成膜しなくともよい。次に、図１４（ｂ）に示すように、所定のエッチングマスクを介して、金属膜１１２をエッチングする。このエッチングによって、Ｈ型振動子１０に成形される領域に下部電極４１，５４，６７がパターン形成され、フレーム２０に成形される領域に下部電極パッド８１，８４，８７がパターン形成され、且つ、これらを接続する配線７１，７４，７７がパターン形成される。このとき、フレーム２０に成形される領域には、上部電極パッド８３，８６，８９も形成される。酸化膜１１１および金属膜１１２について、構成材料、成膜手段およびエッチング手法は、図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して第１の実施形態に係る角速度センサ１０１に関して上述したのと同様である。
【００４７】
次に、図１４（ｃ）に示すように、フォトレジスト１１５を、シリコン基板Ｓに対して積層する。次に、図１４（ｄ）に示すように、露光および現像を経てフォトレジスト１１５をパターンニングしてレジストパターン１１６を形成する。レジストパターン１１６は、角速度センサ１０２における、Ｈ型振動子１０、フレーム２０、およびトーションバー３０に対応する平面視形態を有し、下部電極４１，５４，６７、下部電極パッド８１，８４，８７、これらを連結する配線７１，７４，７７、および上部電極パッド８３，８６，８９を覆っている。
【００４８】
次に、図１５（ａ）に示すように、レジストパターン１１６を介して、シリコン基板Ｓを貫通するまでＤｅｅｐ−ＲＩＥを行う。これによって、角速度センサ１０２における、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体成形される。この後、図１５（ｂ）に示すように、レジストパターン１１６を除去する。
【００４９】
次に、図１５（ｃ）に示すように、予め上部電極４３，５６，６９が貼り合わされている圧電体４２’，５５’，６８’を、下部電極４１，５４，６７上に形成する。例えば、圧電体４２’，５５’，６８’を下部電極４１，５４，６７上に接着する場合には、導電性接着剤が用いられる。予め上部電極４３，５６，６９が貼り合わされている圧電体４２’，５５’，６８’は、バルクの圧電材料の所定面に金属膜を成膜した後に所望の形状に加工することによって用意される。圧電体４２’，５５’，６８’は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどによって構成され、１００μｍ程度の厚みを有する。上部電極４３，５６，６９は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどのスパッタリングや蒸着により圧電体４２’，５５’，６８’上に成膜されたものである。下部電極４１，５４，６７上への形成の後、圧電体４２’，５５’，６８’に対して分極処理を施す。この分極処理は、上部電極４３，５６，６９と、Ｈ型振動子１０上に予め形成されていた下部電極４１，５４，６７との間に電圧を印加することによって行う。
【００５０】
圧電体４２’，５５’，６８’には、上部電極４３，５６，６９の成膜とともに、上部電極４３，５６，６９とは反対側に、下部電極の一部としての金属膜を成膜してもよい。そのような圧電体４２’，５５’，６８’は、圧電材料の所定の２面に金属膜を成膜した後に所望の形状に加工することによって用意される。この場合、圧電体４２’，５５’，６８’を下部電極４１，５４，６７上に設ける前に、圧電体４２’，５５’，６８’に対する分極処理を行うことができる。この分極処理は、上部電極４３，５６，６９と、これとともに形成された金属膜との間に電圧を印加することによって行う。分極処理の後、圧電体４２’，５５’，６８’を前述の金属膜を介して下部電極４１，５４，６７上に設ける。例えば導電性接着剤を用いることによって、圧電体４２’，５５’，６８’を前述の金属膜を介して下部電極４１，５４，６７上に形成することができる。
【００５１】
次に、図１５（ｄ）に示すように、上部電極４３，５６，６９と、これに対応する上部電極パッド８３，８６，８９とを、例えば金よりなるワイヤ７３’，７６’，７９’のワイヤボンディング等により接続する。これによって、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体となって、Ｈ型振動子１０上に駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速度センサ１０２が完成する。ただし、本実施形態では、図１４（ｄ）に示す工程において、図４および図５を参照して上述したように、レジストパターン１１６とともにエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を形成してもよい。これによって、図１５（ａ）に示す工程において、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによる各エッチング箇所のエッチングレートを同一とすることができる。また、図１１を参照して第１の実施形態の角速度センサ１０１の製造に関して上述したように、本実施形態の角速度センサ１０２の製造においても、図１４（ｄ）に示す工程にてＨ型振動子１０とフレーム２０とトーションバー３０とを一体成形する際、結晶異方性エッチングの両面エッチングを採用してもよい。
【００５２】
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る角速度センサ１０３の平面図である。角速度センサ１０３は、検出用圧電素子の配設態様が角速度センサ１０１と異なる。具体的には、検出用圧電素子７０が、支持部１１と第１アーム１２ａとの接合部に設けられ、検出用圧電素子８０が、支持部１１と第１アーム１２ｂとの接合部に設けられている。検出用圧電素子７０，８０は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１について対称に配設されている。これによって、Ｈ型振動子１０の振動バランスを保つことができるので、長期間にわたってドリフトの増大を防ぎ、角速度センサ１０３の信頼性を確保することが可能となる。他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省略する。また、上述のように、Ｈ型振動子１０においては、支持部１１とアームの接合部が最も歪むので、本実施形態の検出用圧電素子の配設態様によっても、角速度センサ１０１と略同様に角速度を検出することが可能である。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子７０，８０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成してもよい。
【００５３】
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る角速度センサ１０４の平面図である。角速度センサ１０４は、駆動用圧電素子および検出用圧電素子の配設態様が角速度センサ１０１と異なる。具体的には、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂとの接合部には、一対の検出用圧電素子７０，８０が設けられており、支持部１１と第２アーム１３ａ，１３ｂとの接合部には、第２アーム１３ａと支持部１１と第２アーム１３ｂにわたって駆動用圧電素子４０’設けられるとともに、一対の検出用圧電素子７０’，８０’が設けられている。検出用圧電素子７０および検出用圧電素子７０’は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１について、検出用圧電素子８０および検出用圧電素子８０’に対して対称に配設されている。これとともに、駆動用圧電素子４０’および検出用圧電素子７０’，８０’は、対称面Ａ１−Ａ１に直交する面Ａ５−Ａ５について、駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子７０，８０に対して対称に配設されている。これによって、Ｈ型振動子１０の振動バランスは均一に保たれている。他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省略する。また、上述のように、Ｈ型振動子１０においては、支持部１１とアームの接合部が最も歪むので、本実施形態の検出用圧電素子の配設態様によっても、角速度センサ１０１と略同様に角速度を検出することが可能である。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４０’および検出用圧電素子７０，８０，７０’，８０’は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成してもよい。
【００５４】
図１８は、本発明の第５の実施形態に係る角速度センサ１０５の平面図である。角速度センサ１０５は、駆動用圧電素子の配設態様が角速度センサ１０１と異なる。具体的には、駆動用圧電素子４０に加えて、駆動用圧電素子４５，４６が、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂとの接合部に設けられている。駆動用圧電素子４０，４５，４６は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１について対称に配設され、Ｈ型振動子１０のバランスが保たれている。他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述したのと同様である。このような構成の角速度センサ１０５の駆動に際しては、駆動用圧電素子４０と駆動用圧電素子４５，４６とに対して、各々、図１９に示すような逆位相の電位信号を印加することによって、各々の圧電素子の振動ないし伸縮を逆位相にし、各アームの面内方向の振動量を、単一の駆動用圧電素子４０によって駆動される角速度センサ１０１に比べて、大きくすることができる。これによって、角速度センサ１０５の感度が向上し、高性能化が図られる。他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省略する。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４５，４６および検出用圧電素子５０，６０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成してもよい。
【００５５】
図２０は、本発明の第６の実施形態に係る角速度センサ１０６の平面図である。角速度センサ１０６は、駆動用圧電素子の配設態様が角速度センサ１０１と異なる。具体的には、駆動用圧電素子４０に加えて、駆動用圧電素子４５，４６，４７，４８が、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂとの接合部に設けられている。駆動用用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１について対称に配設され、Ｈ型振動子１０のバランスが保たれている。他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述したのと同様である。角速度センサ１０６の駆動に際しては、駆動用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８に対して、各々、図２１に示すような振幅の異なる電位信号を印加することによって、各々の圧電素子の振動ないし伸縮の歪みの大きさを変え、各アームの面内方向の振動量を、単一の駆動用圧電素子４０によって駆動される角速度センサ１０１に比べて、大きくすることができる。その結果、角速度センサ１０６の感度が向上し、高性能化が図られる。他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省略する。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８および検出用圧電素子５０，６０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成してもよい。
【００５６】
図２２は、本発明の第７の実施形態に係る角速度センサ１０７を表す。図２２（ａ）は角速度センサ１０７の平面図であり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）の線Ｂ２−Ｂ２から見た矢視図である。角速度センサ１０７は、角速度センサ１０１の第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの各々の先端に嵩高部９１が形成された構成をとる。嵩高部９１は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１および対称面Ａ２−Ａ２につてい対称に配設されて、Ｈ型振動子１０のバランスが保たれ、これによってＨ型振動子１０の雑音モードなどが防がれている。他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省略する。このように、Ｈ型振動子１０のアームの先端形状をアームの基端部よりも大きくすることにより、大きなコリオリ力を発生させることができる。すると、検出モードにおけるアームの振動変位量が大きくなり、角速度センサ１０７の高感度化が図られる。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成してもよい。
【００５７】
図２３は、本発明の第８の実施形態に係る角速度センサ１０８を表す。図２３（ａ）は角速度センサ１０８の平面図であり、図２３（ｂ）は図２３（ａ）の線Ｂ３−Ｂ３から見た矢視図である。角速度センサ１０８は、角速度センサ１０１の第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの各々の先端に重り部９２が設けられた構成をとる。重り部９２は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１につてい対称に配設され、これによってＨ型振動子１０のバランスが保たれている。他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省略する。このように、Ｈ型振動子１０のアーム先端部に重り部９２を設けると、Ｈ型振動子１０の振動時に、アームに対してより大きなコリオリ力が発生する。すると、検出モードにおけるアームの振動変位量が大きくなり、角速度センサ１０８の高感度化を図ることができる。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成してもよい。
【００５８】
図２４は、本発明の第９の実施形態に係る角速度センサ１０９を表す。角速度センサ１０９は、角速度センサ１０１とは異なるＨ型振動子１０’を備える。具体的には、Ｈ型振動子１０’は、支持部１１と、当該支持部１１よりも短い第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂとを備える。より具体的には、例えば本実施形態の支持部１１の長さＬ１は３０００μｍであり、アームの長さはＬ３は１５００μｍである。支持部１１の長さをアーム長さＬ３以上にすることで、Ｈ型振動子１０の支持部１１において、ねじれ振動が少ない部位が増加し、これによってトーションバー３０の形成が容易となる。すなわち、支持部１１がアーム長に対して長いことから、トーションバー３０を大きくすることができ、実質的な機械的強度を増加させて信頼性を向上させることができる。具体的には、本実施形態では、トーションバー３０の幅Ｌ７は８００μｍである。その他の構成については、角速度センサ１００に関して上述したのと同様であり、配線構造は省略する。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成してもよい。
【００５９】
図２５は、本発明の第１０の実施形態に係る角速度センサ１１０を表す。角速度センサ１１０では、センサ部１１０ａと回路部１１０ｂとが一体となっている。センサ部１１０ａは角速度センサ１０１と同一の構成である。回路部１１０ｂは、センサ部１１０ａの駆動用圧電素子４０を駆動するための駆動回路９３、および、センサ部１１０ａの検出用圧電素子５０，６０からの信号を検出するための、例えば図７に示したような検出回路９４が形成されている。より具体的には、Ｈ型振動子１０、フレーム２０およびトーションバー３０を形成する際のシリコン基板として、駆動回路９３および検出回路９４を形成するための領域を有するものを用意し、当該シリコン基板に対して、図９〜図１１を参照して説明したようにＨ型振動子１０、フレーム２０およびトーションバー３０を形成する。これとともに、駆動回路９３および検出回路９４並びにこれらを駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０に接続するために必要な配線構造を形成する。このような一体構成により、センサ部１１０ａに対する駆動回路９３および検出回路９４の配設が容易化される。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成してもよい。
【００６０】
以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。
【００６１】
（付記１）第１の面およびこれとは反対の第２の面により規定される厚みを有する基板に対して前記厚みの方向にエッチングを施すことにより一体成形された、フレームと、振動子と、前記フレームおよび前記振動子を連結するためのトーションバーと、を備える角速度センサであって、
前記振動子は、支持部と、当該支持部から前記基板の面内方向に延出する一対の第１アームと、前記面内方向において前記第１アームとは反対方向に前記支持部から延出する一対の第２アームとを有するＨ型振動子であり、
前記Ｈ型振動子の第１の面には、前記振動子の面内振動を励起するための駆動用圧電素子と、前記振動子の面垂直振動を検出するための検出用圧電素子とが設けられていることを特徴とする、角速度センサ。
（付記２）前記Ｈ型振動子は、アーム延出方向に対して平行であって互いに直交する２つの対称面を有する形状とされている、付記１に記載の角速度センサ。
（付記３）前記駆動用圧電素子は前記第１アームに設けられ、前記検出用圧電素子は前記第２アームに設けられている、付記１または２に記載の角速度センサ。
（付記４）前記駆動用圧電素子は、前記一対の第１アームと前記支持部とにより規定される又部に設けられ、前記検出用圧電素子は、少なくとも前記第２アームに設けられている、付記１または２に記載の角速度センサ。
（付記５）前記駆動用圧電素子は、Ｈ型振動子のアーム延出方向に延びる仮想中心線に対して対称に複数個設けられている、付記１から４のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記６）前記駆動用圧電素子および／または前記検出用圧電素子は、スパッタリング、蒸着、または印刷により成膜された圧電膜と当該圧電膜を挟む一対の電極によって構成されている、付記１から５のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記７）前記駆動用圧電素子および／または前記検出用圧電素子は、成形加工された圧電体と当該圧電体を挟む一対の電極によって構成されている、付記１から５のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記８）前記基板は低抵抗基板であり、前記駆動用圧電素子および／または前記検出用圧電素子は、絶縁膜を介して前記Ｈ型振動子上に設けられている、付記１から７のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記９）前記基板は高抵抗基板であり、前記駆動用圧電素子および／または前記検出用圧電素子は、絶縁膜を介さずに前記Ｈ型振動子上に直接的に設けられている、付記１から７のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１０）前記一対の第１アームは、平行に離隔するとともに前記フレームに対して平行に形成されており、前記一対の第２アームは、平行に離隔するとともに前記フレームに対して平行に形成されており、前記一対の第１アームの離隔距離と、前記一対の第２アームの離隔距離と、前記第１アームおよび前記フレームの離隔距離と、前記第２アームおよび前記フレームの離隔距離とは等しい、付記１から９のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１１）前記一対の第１アームは平行に離隔するとともに前記一対の第２アームは平行に離隔しており、前記基板に対する前記エッチングは、前記フレームへと形成される部位と前記Ｈ型振動子へと形成される部位との間において、前記フレーム、前記Ｈ型振動子および前記トーションバーをマスクするための主レジストパターンに対して、前記一対の第１アームの離隔距離および前記一対の第２アームの離隔距離と同一の距離を隔てて設けられたエッチング幅調整用レジストパターンを介して行われている、請求項１から９のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１２）前記エッチング幅調整用レジストパターンは、前記主レジストパターンにおける前記フレームをマスクするための部位に接続しており、前記基板において前記エッチング幅調整用レジストパターンにマスクされていた部位は、前記フレームに固定されている、請求項１１に記載の角速度センサ。
（付記１３）更に、前記フレームから前記トーションバーを通って前記駆動用圧電素子または前記検出用圧電素子に接続するようにパターン形成された配線を有する、付記１から１２のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１４）前記基板には、前記駆動用圧電素子に電気的に接続された駆動回路と、前記検出用圧電素子に電気的に接続された検出回路が設けられている、付記１から１３のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１５）前記一対の第１アームおよび前記一対の第２アームの先端には、嵩高部が形成されている、付記１から１４のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１６）前記一対の第１アームおよび前記一対の第２アームの先端には、重り部が設けられている付記１から１５のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１７）アーム延出方向において、前記一対の第１アームおよび前記一対の第２アームは前記支持部よりも短い、付記１から１６のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１８）前記トーションバーは、前記Ｈ型振動子の前記支持部と前記フレームとを連結している、付記１から１７のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記１９）前記トーションバーの厚みは、前記基板の厚みに等しい若しくは前記基板の厚みよりも薄い、付記１から１８のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記２０）前記トーションバーの延び方向に対する横断面形状は、当該断面の中心を通って直交する２軸に対して対称な形状である、付記１から１９のいずれか１つに記載の角速度センサ。
（付記２１）前記トーションバーは、前記支持部に連結する一対のトーションバーからなり、前記一対のトーションバーの重心位置は、Ｈ型振動子の重心位置と同一である、請求項１から２０のいずれか１つに記載の角速度センサ。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によると、生産性に優れるとともに、小型で高性能な角速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの平面図である。
【図２】図１の線II−IIに沿った部分断面図である。
【図３】図１の線III−IIIに沿った断面図である。
【図４】エッチング幅調整用レジストパターンを有するレジストパターンを表す。
【図５】エッチング幅調整用レジストパターンを有する別のレジストパターンを表す。
【図６】Ｈ型振動子の駆動モードにおける歪量グラフである。
【図７】本発明の角速度センサで採用することのできる検出回路である。
【図８】図１に示す角速度センサをパッケージングした場合の、図１の線II−IIに沿った断面図である。
【図９】図１に示す角速度センサの製造方法における一部の工程を表す。
【図１０】図９に続く工程を表す。
【図１１】図９に続く他の工程を表す。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサの平面図である。
【図１３】図１２の線XIII−XIIIに沿った断面図である。
【図１４】図１２に示す角速度センサの製造方法における一部の工程を表す。
【図１５】図１４に続く工程を表す。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る角速度センサの平面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る角速度センサの平面図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサの平面図である。
【図１９】図１８に示す角速度センサに対する印加電圧を表すグラフである。
【図２０】本発明の第６の実施形態に係る角速度センサの平面図である。
【図２１】図２０に示す角速度センサに対する印加電圧を表すグラフである。
【図２２】本発明の第７の実施形態に係る角速度センサを表す。
【図２３】本発明の第８の実施形態に係る角速度センサを表す。
【図２４】本発明の第９の実施形態に係る角速度センサを表す。
【図２５】本発明の第１０の実施形態に係る角速度センサを表す。
【図２６】従来のビーム型角速度センサの一例を表す。
【図２７】従来の音叉型角速度センサの一例を表す。
【符号の説明】
１０１〜１１０      角速度センサ
１０        Ｈ型振動子
２０        フレーム
３０        トーションバー
４０，４０’，４５，４６，４７，４８      駆動用圧電素子
５０，６０，７０，７０’，８０，８０’    検出用圧電素子
４１，５４，６７    下部電極
４２，５５，６８    圧電膜
４２’，５５’，６８’    圧電体
４３，５６，６９    上部電極
８１，８４，８７    下部電極パッド
８３，８６，８９    上部電極パッド
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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