JP2010223622A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動ノイズによる影響を低減できる角速度検出装置を提供する。
【解決手段】空洞５０を有する基板４０と、対向する互いの端部を連結されて空洞５０内で並列に配置され、長軸方向に直交する方向であって基板４０の厚さ方向と垂直な駆動振動方向に沿って互いに逆方向に振動する一対の振動アーム１１、１２と、一対の振動アーム１１、１２の連結部分にそれぞれの一方の端部が接続し、他方の端部が基板４０の空洞５０を囲む周辺部に固定された２本の検出アーム２１、２２と、長軸方向に沿った振動アーム１１、１２の振動によって生じる検出アーム２１、２２の形状の歪みを検知して、振動アーム１１、１２に加わった角速度を検出する検出回路６００とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度検出装置に係り、特にコリオリ力を利用して角速度を検出する角速度検出装置に関する。

角速度検出装置として、音片型、音叉型等の様々な形状の振動式角速度検出装置が提案され実用化されている。特に、音叉型の振動式角速度検出装置はＱ値が高く、安定した振動と高い感度が得られる。

例えば、アーム（振動子）を振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極と、アームに加えられた角速度に応じた検出信号を出力する検出電極とが、同一のアーム上に形成された音叉型振動式角速度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上記のような角速度検出装置では、アームの振動方向が水平方向の場合に検出方向は垂直方向であり、アームに角速度が加わらない状態では、検出電極から検出信号は出力されない。そして、アームが水平方向に振動している状態でアームに角速度が加えられると、コリオリ力によりアームが垂直方向に振動し、この垂直方向の振動に基づき角速度が検出される。

特開平１１−３５１８７４号公報

しかしながら、実際にはプロセスばらつき等に起因して、僅かながら水平方向からずれた方向に角速度検出装置のアームが振動する。このため、垂直方向の成分が存在するので、アームに角速度が加えられていない状態でも検出電極からアームに角速度が加わっているように検出信号が出力される。このような、アームの振動方向が所定の方向からずれたために検出電極から出力される検出信号を、以下において「振動ノイズ」という。

振動ノイズが発生した状態でアームに角速度を加えると、振動ノイズと角速度による信号が加算された検出信号が検出電極から出力される。このため、振動ノイズが大きいとＳ／Ｎ比が劣化し、感度が低下する。

上記問題点を鑑み、本発明は、振動ノイズによる影響を低減できる角速度検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）空洞を有する基板と、（ロ）対向する互いの端部を連結されて空洞内で並列に配置され、長軸方向に直交する方向であって基板の厚さ方向と垂直な駆動振動方向に沿って互いに逆方向に振動する一対の振動アームと、（ハ）一対の振動アームの連結部分にそれぞれの一方の端部が接続し、他方の端部が基板の空洞を囲む周辺部に固定された２本の検出アームと、（ニ）長軸方向に沿った振動アームの振動によって生じる検出アームの形状の歪みを検知して、振動アームに加わった角速度を検出する検出回路とを備える角速度検出装置が提供される。

本発明によれば、振動ノイズによる影響を低減できる角速度検出装置を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の構成を示す模式的な上面図である。 図１のII−II方向に沿った断面図である。 図１のIII−III方向に沿った断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置が受けるコリオリ力を説明するための模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の回路構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の検出信号の波形例を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。 本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る角速度検出装置の構成を示す模式的な上面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る角速度検出装置の構成を示す模式的な上面図である。 図１９（ａ）は図１８のXIX−XIX方向に沿って切断した斜視図であり、図１９（ｂ）は図１８のXIX−XIX方向に沿った断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る角速度検出装置の回路構成例を示すブロック図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置１は、図１に示すように、空洞５０を有する基板４０と、対向する互いの端部を連結されて空洞５０内で並列に配置され、長軸方向に直交する方向であって基板４０の厚さ方向と垂直な駆動振動方向に沿って互いに逆方向に振動する一対の振動アーム１１、１２と、一対の振動アーム１１、１２の連結部分にそれぞれの一方の端部が接続し、他方の端部が基板４０の空洞５０を囲む周辺部に固定された２本の検出アーム２１、２２と、長軸方向に沿った振動アーム１１、１２の振動によって生じる検出アーム２１、２２の形状の歪みを検知して、振動アーム１１、１２に加わった角速度を検出する検出回路６００とを備える。

振動アーム１１、１２は、外部からの駆動信号入力により駆動振動方向に振動（以下において「駆動振動」という。）する。「駆動振動方向」は、図１において紙面に平行で、かつ振動アーム１１、１２の延伸する長軸方向に対して垂直な方向である。図１において、駆動振動方向をｘ軸方向、振動アーム１１、１２の長軸方向をｙ軸方向とする。つまり、駆動振動方向を含む駆動振動面はｘ−ｙ平面である。また、駆動振動面の法線方向をｚ軸方向とする。

図１に示すように、振動アーム１１と振動アーム１２の一方の端部同士は連結部３１で連結され、他方の端部同士は連結部３２で連結されている。検出アーム２１の一方の端部は振動アーム１１と振動アーム１２との連結部３１に接続し、他方の端部は基板４０の空洞５０を囲む枠状の周辺部に接続する固定端である。また、検出アーム２２の一方の端部は振動アーム１１と振動アーム１２との連結部３２に接続し、他方の端部は基板４０の空洞５０を囲む枠状の周辺部に接続する固定端である。

図１に示したように、振動アーム１１の連結部３１と連結部３２に近い領域に、それぞれ駆動電極１１１と駆動電極１１２が配置されている。同様に、振動アーム１２の連結部３１と連結部３２に近い領域に、それぞれ駆動電極１２１と駆動電極１２２が配置されている。駆動電極１１１、１１２、１２１、１２２は、振動アーム１１、１２上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２をそれぞれ有する。図１に示すように、振動アーム１１と振動アーム１２が対面する面側（以下において「内側」という）に第１印加電極１０１が配置され、内側と対向する面側（以下において「外側」という）に第２印加電極１０２が配置される。

また、検出アーム２１上の固定端に近い領域に検出電極２１１が配置され、検出アーム２２上の固定端に近い領域に検出電極２２１が配置されている。検出電極２１１及び検出電極２２１は、互いに対向して配置された検知電極２０１、２０２をそれぞれ有する。図１に示したように、検出アーム２１上の検知電極２０１と検出アーム２２上の検知電極２０２は振動アーム１２に近い領域に配置され、検出アーム２１上の検知電極２０２と検出アーム２２上の検知電極２０１は振動アーム１１に近い領域に配置されている。

更に、振動アーム１１と振動アーム１２の連結部３１付近に振動参照電極７１が配置され、振動アーム１１と振動アーム１２の連結部３２付近に振動参照電極７２が配置されている。

図２に、図１のII−II方向に沿った振動アーム１１、１２の断面構造を示す。図２に示すように、振動アーム１１、１２上の側面に近い領域に、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２が対向して配置されている。第１印加電極１０１と第２印加電極１０２は、同一の層構造である。

図３に、図１のIII−III方向に沿った検出アーム２１の断面構造を示す。図３に示すように、検出アーム２１上の側面に近い領域に、同一の層構造を有する検知電極２０１、２０２が対向して配置されている。図示を省略するが、検出アーム２２の構造は検出アーム２１と同様であり、且つ、図１に示したように検知電極２０１と検知電極２０２のｘ軸方向の配置は検出アーム２２上と検出アーム２１上で逆である。

図１〜図３に示すように、振動アーム１１、振動アーム１２、検出アーム２１、及び検出アーム２２は、基板４０に形成された空洞５０内に配置された双音叉型の振動子１０を構成する。後述するように、基板４０をエッチングして空洞５０を形成する際に基板４０の一部を残すことにより、振動アーム１１、１２、及び検出アーム２１、２２は形成される。

基板４０には、シリコン基板等が採用可能である。例えば振動アーム１１、振動アーム１２、検出アーム２１、及び検出アーム２２の基板４０の幅ｗは１５０μｍ程度であり、膜厚ｄは１５０μｍ程度である。

図２、３に示すように、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検知電極２０１、２０２は、それぞれ下部電極３０１、圧電体膜３０２、上部電極３０３の積層体である。下部電極３０１には、膜厚２００ｎｍ程度の白金（Ｐｔ）／チタン（Ｔｉ）の積層膜等が採用可能であり、上部電極３０３には、膜厚２００ｎｍ程度の酸化イリジウム（ＩｒＯ₂）／イリジウム（Ｉｒ）の積層膜や金（Ａｕ）膜等が採用可能である。圧電体膜３０２には、膜厚１〜３μｍ程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜やランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜等が採用可能である。ＰＺＴ膜やＰＬＺＴ膜はゾルゲル法等により形成される。

第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検知電極２０１、２０２は、基板４０上に形成された酸化シリコン膜４１上に配置され、周囲を保護膜４５で覆われている。酸化シリコン膜４１は、例えば基板４０の表面を熱酸化して形成される。保護膜４５は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）膜と酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の積層膜である。

駆動信号として駆動電圧Ｖｄが第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に印加されると、逆圧電効果により第１印加電極１０１と第２印加電極１０２の圧電体膜３０２の形状が変形する。例えば、圧電体膜３０２はプラス電圧が印加されるとｙ軸方向に縮み、マイナス電圧が印加されるとｙ軸方向に伸びる。このため、振動アーム１１、１２の側面近くに配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２に極性の異なる電圧を印加することにより、振動アーム１１、１２の外側が伸びる場合に内側が縮み、振動アーム１１、１２の内側が伸びる場合に外側が縮む。つまり、振動アーム１１、１２はｘ軸方向に屈曲する。

一方、検出アーム２１及び検出アーム２２に形状の変化が生じると、検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２の形状が変形し、圧電効果により検出電極２１１、２２１から電気信号が検出信号として出力される。検出信号は、圧電効果により検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２に生じる分極を検出して検出電極２１１、２２１が出力する電流信号若しくは電圧信号である。

駆動電圧Ｖｄは、図１に示した検出回路６００の駆動回路６１０から駆動電極１１１、１１２、１２１、１２２に出力される。駆動回路６１０は、駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄを出力する。駆動振動周波数ｆｄは、振動子１０の駆動振動方向の共振周波数に設定される。また、振動アーム１１、１２に角速度が加えられたことによって検知電極２０１、２０２に生じる分極に基づいて、検出電極２１１、２２１から検出回路６００の検知回路６２０にそれぞれ検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２が出力される。

振動参照電極７１、７２は、図２、図３に示した駆動電極１１１、１１２、１２１、１２２、検出電極２１１、２２１と同様に、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３の積層構造を有する。そして、駆動振動に起因して生じる振動アーム１１、１２の形状変化に比例する参照電圧Ｖｒが、振動参照電極７１、７２に発生する。つまり、参照電圧Ｖｒの大きさは、駆動振動の大きさに比例する。参照電圧Ｖｒは、振動参照電極７１、７２から検出回路６００の振動量検出回路６４０に出力される。振動量検出回路６４０は、参照電圧Ｖｒに基づき、駆動振動の大きさを示す振動信号Ｓ_Fを駆動回路６１０に出力する。

以下に、角速度検出装置１の動作を説明する。

駆動回路６１０により、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄが印加されると、既に述べたように第１印加電極１０１及び第２印加電極１０２の圧電体膜３０２が変形し、振動アーム１１、１２は屈曲する。即ち、振動アーム１１、１２は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動方向に沿って駆動振動する。

駆動振動においては、振動アーム１１、１２のそれぞれの第１印加電極１０１に同一極性の電圧が印加され、かつ第１印加電極１０１に印加される電圧と逆の極性の電圧が第２印加電極１０２に印加される。このため、振動アーム１１と振動アーム１２のいずれか一方が＋ｘ方向に屈曲する場合には、他方が−ｘ方向に屈曲する。つまり、振動アーム１１と振動アーム１２は、互いの両端部が連結されて、且つ同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が互いに逆向きである双音叉型の振動子１０の一部を構成する。この振動子１０は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動する。

振動アーム１１と振動アーム１２の駆動方向が逆方向であるため、振動アーム１１と振動アーム１２が駆動振動のみしている状態では、連結部３１、３２の各中心部、つまり連結部３１、３２と検出アーム２１、２２との接続点は振動しない不動点である。このため、振動アーム１１、１２が駆動振動のみしている状態では、検出アーム２１、２２に形状の歪みは発生せず、検出電極２１１、２２１は検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２を出力しない。

振動アーム１１、１２が駆動振動している状態で、駆動振動面に垂直な軸を回転軸として振動子１０が回転すると、振動アーム１１及び振動アーム１２はコリオリ力を受ける。即ち、振動子１０に加えられた回転の回転軸方向（ｚ軸方向）及び駆動振動方向（ｘ軸方向）に垂直な方向（ｙ軸方向）、つまり振動アーム１１、１２の長軸方向に、振動アーム１１、１２はコリオリ力をそれぞれ受ける。

駆動振動において、同一時刻の振動アーム１１と振動アーム１２の駆動方向は互いに逆向きである。このため、振動アーム１１の受けるコリオリ力の向きと、振動アーム１２の受けるコリオリ力の向きとは、同一時刻において互いに逆向きである。

例えば図４に示すように、上面方向からみて時計回りに振動子１０が角速度ωで回転している場合に、振動アーム１１が＋ｘ方向に屈曲し、振動アーム１２が−ｘ方向に屈曲している状態では、振動アーム１１は＋ｙ方向にコリオリ力ｆ１を受け、振動アーム１２は−ｙ方向にコリオリ力ｆ２を受ける。振動アーム１１、１２の駆動方向の変化に対応して、コリオリ力ｆ１、ｆ２の方向が変化する。このため、コリオリ力ｆ１、ｆ２を受ける振動アーム１１、１２にｙ軸方向の振動（以下において、「検出振動」という。）が生じる。コリオリ力ｆ１、ｆ２の働く方向は逆方向である。また、振動アーム１１、１２に生じる検出振動は、振動アーム１１、１２の延伸する長軸方向（ｙ軸方向）に沿った振動であり、駆動振動の振動方向と検出振動の振動方向とは９０°の角をなす。

上記のように、同一時刻において振動アーム１１に生じる検出振動の方向と振動アーム１２に生じる検出振動の方向とは逆方向である。その結果、連結部３１と基板４０間に配置された検出アーム２１、及び連結部３２と基板４０間に配置された検出アーム２２に、検出振動に起因する形状の歪みが生じる。

検出アーム２１及び検出アーム２２に形状の歪みが発生すると、検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２の形状が変形し、圧電体膜３０２で分極が生じる。検出電極２１１、２２１は、圧電体膜３０２で生じた分極により検知電極２０１、２０２間に流れる電流（検出電流）或いは検知電極２０１、２０２間に発生する電圧（検出電圧）を検出する。検出電極２１１、２２１は、検出電流或いは検出電圧を検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２として検出回路６００に出力する。

検出回路６００は、検出電極２１１、２２１が出力する検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に基づき、振動アーム１１、１２に加えられた角速度を検出する。検出回路６００の構成例を図５に示す。

既に説明したように駆動回路６１０は駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄを出力するが、駆動振動周波数ｆｄは、振動量検出回路６４０から駆動回路６１０に出力される駆動振動の大きさを示す振動信号Ｓ_Fを参照して設定される。振動量検出回路６４０は、図５に示すように、電流アンプ６４１、自動利得制御回路（ＡＧＣ）６４２を有する。振動アーム１１、１２の駆動振動により振動参照電極７１、７２に発生する参照電圧Ｖｒは、電流アンプ６４１を介してＡＧＣ６４２に入力される。ＡＧＣ６４２の出力が、駆動振動の大きさを示す振動信号Ｓ_Fとして駆動回路６１０に出力される。

駆動回路６１０は、振動信号Ｓ_Fに基づき、駆動振動の大きさが最大になる駆動振動周波数ｆｄを振動子１０の共振周波数として設定し、駆動電圧Ｖｄの駆動振動周波数ｆｄが決定される。つまり、駆動振動の大きさが振動子１０から駆動回路６１０にフィードバックされて、駆動振動周波数ｆｄが設定される。

検知回路６２０は、図５に示すように、電流アンプ６２１、６２２及び差動アンプ６２３を有する。検出電極２１１に接続する電流アンプ６２１に検出信号Ｓｄ１が入力され、検出電極２２１に接続する電流アンプ６２２に検出信号Ｓｄ１が入力される。電流アンプ６２１の出力と電流アンプ６２２の出力は差動アンプ６２３に入力され、検出信号Ｓｄ１と検出信号Ｓｄ２を重ねた信号が検知信号Ｓ_Tとして検波回路６３０に送信される。

検出信号Ｓｄ１、検出信号Ｓｄ２及び検知信号Ｓ_Tの例を、図６に示す。図６に示した信号Ｓｗは振動子１０の振動を示し、検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２は検出アーム２１、検出アーム２２の検出電圧をそれぞれ示す。図６に示すように、検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２は振動子１０の振動周波数で振動する。検出信号Ｓｄ１と検出信号Ｓｄ２を重ね合わせることによって検知信号Ｓ_Tは増幅され、同時に検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に含まれるノイズが除去される。そのため、圧電体膜３０２の形状変化をより感度良く検知することができる。

検波回路６３０は、同期検波６３１及び平滑回路６３２を有する。検波回路６３０は、検知回路６２０から送信される検知信号Ｓ_Tを、振動量検出回路６４０から振動信号Ｓ_Fで送信される駆動振動周波数ｆｄを用いた同期検波することにより、角速度ωを算出する。算出された角速度ωは、出力信号Ｄ１で検波回路６３０から出力される。

なお、検出回路６００を基板４０と異なる基板上に形成してもよいし、検出回路６００を基板４０に形成してもよい。振動子１０と検出回路６００を基板４０上に形成して１チップ化することにより、角速度検出装置１を小型化することができる。

以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置１では、駆動振動する振動アーム１１、１２と、コリオリ力により振動する検出アーム２１、２２が異なり、駆動振動は検出アーム２１、２２に伝わらない。更に、振動アーム１１、１２の駆動振動の振動方向と、振動子１０に角速度が加わったときの検出アーム２１、２２の検出振動の振動方向とが、９０°異なる。このため、振動ノイズと検出振動では共振モードの軸が異なり、振動ノイズが発生した状態で振動子１０に角速度を加えても、振動ノイズは角速度による検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に影響を与えない。また、角速度検出装置１は、振動アーム１１と振動アーム１２が互いに逆方向に振動する。このため、駆動振動の不動点である連結部３１、３２に接続する検出アーム２１、２２に駆動振動が伝達されにくい。そのため、角速度検出装置１では、振動ノイズが大きくてもＳ／Ｎ比は劣化せず、角速度検出感度が低下しない。つまり、図１に示した角速度検出装置１によれば、振動ノイズによる影響を低減できる角速度検出装置を提供できる。

更に、角速度検出装置１では、従来の角速度検出装置では検出が困難であった基板４０の主面の法線方向を回転軸とする回転の角速度を検出できる。

本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置１は、例えばカメラやビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角速度センサ、モーションセンサ等に採用可能である。

図７〜図１１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置１の製造方法を説明する。図７〜図１１は、図１のII−II方向に沿った工程断面図である。なお、以下に述べる角速度検出装置１の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

（イ）図７に示すように、厚さ７００μｍ程度のシリコン基板である基板４０の表面上に酸化シリコン膜４１を形成し、裏面上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。

（ロ）図８に示すように、基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に、下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３を順に積層する。例えば、スパッタ法により、膜厚２００ｎｍ程度のＰｔ／Ｔｉ積層膜を下部電極層３１１として形成する。下部電極層３１１がＴｉ膜を下層とするＰｔ／Ｔｉ積層膜である場合に、Ｔｉ膜とシリコン基板との密着性が良くない。このため、基板４０上に酸化シリコン膜４１を形成して、基板４０と下部電極層３１１との密着性を向上させている。下部電極層３１１上に、圧電体膜層３１２として例えばＰＬＺＴ膜をゾルゲル法等により形成する。圧電体膜層３１２上に、スパッタ法によりＩｒＯ₂膜を下層とするＩｒＯ₂／Ｉｒの積層膜を上部電極層３１３として形成する。

（ハ）フォトリソグラフィ技術やエッチング等により、所望のパターンになるように下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３をパターニングして、図９に示すように、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３が積層された第１印加電極１０１、第２印加電極１０２を形成する。図示を省略するが、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２と同様にして、検知電極２０１、２０２も同時に形成される。その後、アルミナ膜と酸化シリコン膜の積層膜を保護膜４５として全面に形成する。次いで、空洞５０が形成される領域４００の保護膜４５及び酸化シリコン膜４１を除去する。

（ニ）基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をエッチングして、振動子１０及び空洞５０を形成する領域の基板４０の裏面を露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによって、振動子１０が配置される領域及び空洞５０を形成する領域に該当する基板４０の裏面の一部を除去する。その結果、振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の裏面が露出される。その後、図１０に示すように、基板４０の裏面にエッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０をプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）法等により形成する。

（ホ）保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜６０をエッチングストッパーとするドライエッチングによって基板４０の表面の一部を除去し、図１１に示すように空洞５０を形成して振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の側面を露出させる。その後、酸化シリコン膜６０を除去する。以上により、図１、図２に示す角速度検出装置１が完成する。

上記では、エッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０を基板４０の裏面に形成する例を説明した。しかし、図１２〜図１６を参照して以下に説明するように、エッチングストッパーとしての絶縁膜を予め基板４０に形成しておいてもよい。なお、図１２〜図１６は、図１のII−II方向に沿った工程断面図である。

（イ）図１２に示すように、シリコン膜４０ａ、酸化シリコン膜４０ｂ及びシリコン膜４０ｃが積層されたＳＯＩ基板を、基板４０として用意する。そして、基板４０の表面上、即ちシリコン膜４０ｃ上に酸化シリコン膜４１を形成する。更に、基板４０の裏面上、即ちシリコン膜４０ａ上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。

（ロ）図１３に示すように、基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に、下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３を順に積層する。例えば、図１０を参照して説明した例と同様に、下部電極層３１１として形成したＰｔ／Ｔｉ積層膜上に、圧電体膜層３１２としてＰＬＺＴ膜を形成する。そして、圧電体膜層３１２上に、ＩｒＯ₂膜を下層とするＩｒＯ₂／Ｉｒの積層膜を上部電極層３１３として形成する。

（ハ）図１４に示すように、下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３をパターニングして、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３が積層された第１印加電極１０１、第２印加電極１０２を形成する。図示を省略するが、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２と同様にして、検知電極２０１、２０２も同時に形成される。その後、アルミナ膜と酸化シリコン膜の積層膜を保護膜４５として全面に形成する。次いで、空洞５０が形成される領域４００の保護膜４５及び酸化シリコン膜４１を除去する。

（ニ）基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をフォトリソグラフィ技術等を用いてエッチングし、振動子１０及び空洞５０を形成する領域のシリコン膜４０ａを露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによって、露出したシリコン膜４０ａを除去する。その結果、図１５に示すように、振動子１０が配置される領域及び空洞５０を形成する領域の酸化シリコン膜４０ｂが露出される。

（ホ）保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜４０ｂをエッチングストッパーとするドライエッチングによって、図１６に示すように空洞５０を形成する領域のシリコン膜４０ｃを除去して、振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の側面を露出させる。その後、空洞５０領域の酸化シリコン膜４０ｂを除去する。以上により、本発明の第１の実施形態に係る角速度検出装置１が完成する。

上記のような本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置１の製造方法によれば、駆動振動する振動アーム１１、１２と検出振動する検出アーム２１、２２とが異なり、且つ、振動アーム１１、１２の駆動振動の振動方向と検出アーム２１、２２の検出振動の振動方向とが９０°異なることにより、振動ノイズによる影響を低減できる角速度検出装置１を提供することができる。

＜変形例＞
図１７に本発明の第１の実施の形態の変形例に係る角速度検出装置の振動子１０を示す。図１７に示した振動子１０は、振動アーム１１ａ、１２ａ、及び検出アーム２１ａ、２２ａにスリットＳが形成されている点が、図１に示した振動子１０と異なる。スリットＳは、振動アーム１１ａ、１２ａ、及び検出アーム２１ａ、２２ａの上面から下面まで貫通する空洞である。

図１に示した振動子１０の振動アーム１１、１２、及び検出アーム２１、２２のようにスリットの無いアームと比較して、スリットＳのあるアームは変形しやすい。このため、図１７に示した振動子１０では、図１に示した振動子１０よりも、角速度が加えられた場合の振動アーム１１ａ、１２ａ、及び検出アーム２１ａ、２２ａの形状変化が大きく、検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２が大きくなる。その結果、角速度検出装置１の角速度検出感度が向上する。

１つのアーム上に駆動電極と検出電極が並べて配置される角速度検出装置では、アーム上に電極が配置されていない領域が少ない。このため、スリットＳを形成することは困難である。しかし、本発明の第１の実施形態に係る角速度検出装置では駆動電極と検出電極が異なるアーム上に配置されるため、振動アーム１１、１２、及び検出アーム２１、２２にスリットＳを形成することが可能である。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る角速度検出装置１Ａを、図１８、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示す。図１８は角速度検出装置１Ａの上面図である。図１９（ａ）は図１８のXIX−XIX方向に沿った斜視図であり、図１９（ｂ）は断面図である。図１９（ａ）及び図１９（ｂ）では、振動子１０上に配置された各電極の図示を省略している。

角速度検出装置１Ａは、矩形の空洞５０を囲む周辺部４０１〜４０４のうち、検出アーム２２が固定された周辺部４０１を固定端として、他の周辺部４０２〜４０４が駆動振動方向及び振動アーム１１、１２の長軸方向に対して垂直に振動することが、図１に示した角速度検出装置１と異なる点である。また、検出回路６００が周波数カウンタ６５０を更に備える。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。

図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示すように、角速度検出装置１Ａでは、検出アーム２２の固定端が接続された周辺部４０１では基板４０の上面４１１から下面４１２まで基板厚み方向に基板４０が連続し、周辺部４０３では基板４０の上面４１１と下面４１２が分離している。周辺部４０２、４０４は周辺部４０３と同様の構造である。このため、振動アーム１１、１２及び検出アーム２１、２２が配置された空洞５０を囲む周辺部４０１〜４０４のうち、検出アーム２２の固定端が接続された周辺部４０１を除いて、周辺部４０２〜４０４はｚ軸方向に変位可能である。つまり、図１８に示した振動子１０は、検出アーム２２が固定された周辺部４０１を固定端とし、周辺部４０２〜４０４がｚ軸方向に振動可能な片持ち梁型の振動子である。エッチングで基板４０の側面の一部を分離することにより、角速度検出装置１Ａを形成できる。

なお、振動子１０は、検出アーム２１の固定される周辺部４０３が固定端であり、周辺部４０１、４０２、４０４がｚ軸方向に振動する片持ち梁型の振動子であってもよい。

一般に、共振周波数で振動している振動子に加速度が加わると振動子の共振周波数が変化することが知られており、この現象は音叉型の圧力センサ等に利用されている。駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄが振動アーム１１、１２に印加され、振動子１０が共振周波数で駆動振動している状態においてｚ軸方向に加速度が加わった場合、角速度検出装置１Ａの振動子１０はｚ軸方向に変形する。このため、振動子１０の共振周波数が変動する。

既に説明したように、駆動振動方向の共振周波数の変動に対応して、駆動回路６１０は、振動量検出回路６４０から入力される振動信号Ｓ_Fに基づいて振動子１０の新たな共振周波数を決定する。このとき、共振周波数の変化量を用いて振動子１０に加わったｚ軸方向の加速度を検出できる。例えば、図１８に示すように、振動信号Ｓ_Fを周波数カウンタ６５０を介して駆動回路６１０に伝送する。これにより、共振周波数の変化量が周波数カウンタ６５０によって検出され、振動子１０に加わったｚ軸方向の加速度が検出される。検出された加速度は、出力信号Ｄ２で周波数カウンタ６５０から出力される。

図２０に、角速度検出装置１Ａの回路構成例を示す。図２０に示したブロック図は、振動量検出回路６４０から出力された振動信号Ｓ_Fが周波数カウンタ６５０を介して駆動回路６１０に入力する点が、図５に示したブロック図と異なる。

外力Ｆにより振動子１０にｚ軸方向の加速度が加わった場合における、振動子１０の共振周波数と外力Ｆとの関係は、例えば以下のようにして得られる。

振動アームに外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆ_Fは、以下の式（１）で表される：

ｆ_F＝ｆ₀｛１−（ＫＬ²Ｆ）／（２ＥＩ）｝^1/2 ・・・（１）

式（１）で、ｆ₀：外力が加えられていない状態での振動アームの共振周波数、Ｋ：基本モード波による定数、Ｌ：振動アームの長さ、Ｅ：縦弾性定数、Ｉ：断面２次モーメント（Ｉ＝ｄｗ³／１２）である。

振動アームの厚さをｄ、幅をｗ、断面積Ａ＝ｄ×ｗとして式（１）を変形し、式（２）が得られる：

ｆ_F＝ｆ₀（１−Ｓ_Fσ）^1/2 ・・・（２）

ただし、式（２）において、式（３）、式（４）を用いている：

Ｓ_F＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）² ・・・（３）
σ＝Ｆ／（２Ａ） ・・・（４）

以上から、外力Ｆと共振周波数ｆ_Fの関係は以下のようになる。即ち、双音叉型振動子に作用する外力Ｆを圧縮方向の時が負、伸張方向（引張り方向）の時を正とすると、外力Ｆが圧縮力では共振周波数ｆ_Fが低くなり、外力Ｆが伸張（引張り）力では共振周波数ｆ_Fが高くなる。また、応力感度Ｓ_Fは、振動アームのＬ／ｗの２乗に比例する。

上記の外力Ｆと共振周波数ｆ_Fとの関係を利用して、角速度検出装置１Ａは、振動子１０に加わったｚ軸方向の加速度を検出できる。更に、角速度検出装置１Ａは、振動アーム１１、１２が駆動振動している状態において振動子１０に加わるｚ軸方向を回転軸とする回転の角速度ωを検出する。角速度検出装置１Ａによる角速度ωの検出方法は第１の実施の形態と同様であり、重複した記載を省略する。

本発明の第２の実施の形態に係る角速度検出装置１Ａによれば、振動子１０に加わる角速度と、振動子１０にｚ軸方向に加わる加速度とを検出することができる。このため、角速度を検出する部品と加速度を検出する部品をそれぞれ用意する必要がなく、検出装置の部品を減らすことができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた第１及び第２の実施の形態の説明においては、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間及び検知電極２０１と検知電極２０２間において下部電極３０１と圧電体膜３０２が分離している例を示した。しかし、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間や検知電極２０１と検知電極２０２間において下部電極３０１や圧電体膜３０２が連続していてもよい。対向する電極間の難エッチング物質である圧電体膜３０２を切断しないことにより、角速度検出装置１を微細化できる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の角速度検出装置は、角速度センサや、スチールカメラ、ビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角度センサ、モーションセンサに利用可能である。

ω…角速度
Ｓ_F…振動信号
Ｓ_T…検知信号
Ｓｄ１、Ｓｄ２…検出信号
Ｓ…スリット
Ｖｄ…駆動電圧
Ｖｒ…参照電圧
ｆ１、ｆ２…コリオリ力
１、１Ａ…角速度検出装置
１０…振動子
１１、１１ａ、１２、１２ａ…振動アーム
２１、２１ａ、２２、２２ａ…検出アーム
３１、３２…連結部
４０…基板
４１、４２…酸化シリコン膜
４５…保護膜
５０…空洞
７１、７２…振動参照電極
１０１…第１印加電極
１０２…第２印加電極
１１１、１１２、１２１、１２２…駆動電極
２０１、２０２…検知電極
２１１、２２１…検出電極
３０１…下部電極
３０２…圧電体膜
３０３…上部電極
６００…検出回路
６１０…駆動回路
６２０…検知回路
６２１、６２２…電流アンプ
６２３…差動アンプ
６３０…検波回路
６３１…同期検波
６３２…平滑回路
６４０…振動量検出回路
６４１…電流アンプ
６４２…ＡＧＣ
６５０…周波数カウンタ

Claims (6)

1. 空洞を有する基板と、
   対向する互いの端部を連結されて前記空洞内で並列に配置され、長軸方向に直交する方向であって前記基板の厚さ方向と垂直な駆動振動方向に沿って互いに逆方向に振動する一対の振動アームと、
   前記一対の振動アームの連結部分にそれぞれの一方の端部が接続し、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された２本の検出アームと、
   長軸方向に沿った前記振動アームの振動によって生じる前記検出アームの形状の歪みを検知して、前記振動アームに加わった角速度を検出する検出回路と
   を備えることを特徴とする角速度検出装置。
2. 前記検出回路が、前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。
3. 前記振動アーム及び前記検出アームが、圧電体膜を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の角速度検出装置。
4. 前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜であることを特徴とする請求項３に記載の角速度検出装置。
5. 前記検出回路が出力する駆動電圧によって、前記振動アームが前記駆動振動方向に沿って振動することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の角速度検出装置。
6. 前記周辺部の前記検出アームのいずれかが固定された部分を固定端として、前記周辺部の他の部分が前記駆動振動方向及び前記振動アームの長軸方向に対して垂直に振動することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の角速度検出装置。

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