JP5716827B2 - 振動子および振動ジャイロ - Google Patents

Description

この発明は、振動面で面内振動する振動モードを有する振動子と、振動面に対して垂直な回転軸回りで振動子に加わる角速度を検出する振動ジャイロとに関する。

角速度を検出する振動ジャイロは、回転軸に直交する駆動軸に沿って振動する第１の振動モード（駆動振動モード）と、回転軸および駆動軸に直交する検出軸に沿って振動する第２の振動モード（検出振動モード）と、を有する振動子を備えている。駆動振動モードで振動する振動子が回転軸回りに回転すると、振動子には検出軸に沿ったコリオリの力が加わる。コリオリの力が加わると、振動子は検出振動モードで振動する。検出振動モードの振動振幅は、回転運動の角速度の大きさ、すなわち、回転運動の角速度により生じるコリオリの力の大きさに応じたものになる。このため、検出振動モードの振動振幅を検出することで、回転運動の角速度を検出することができる。

振動ジャイロに利用される振動子の構造は、さまざまである（例えば特許文献１〜２参照。）。ある種の振動子は、回転軸に直交する面内で環状に構成される（特に特許文献１参照。）。

図１（Ａ）は、従来の環状の振動子を備える振動ジャイロ１０１の平面図（Ｘ−Ｙ面平面図）である。振動ジャイロ１０１は、開口を設けた矩形平板形状であり、枠部１０２と、支持梁１０３と、連結梁１０４と、振動子１０５とを備えている。枠部１０２は、振動ジャイロ１０１の外周部を構成する矩形枠状の部位である。支持梁１０３は、枠部１０２の四辺それぞれの中央部に設けられていて、枠部１０２の各辺と並行であり、長手方向の両端で枠部１０２に連結されている。連結梁１０４は、各支持梁１０３の中央に直交して連結されている。振動子１０５は、円環状の部位であり、連結梁１０４によって四点で支持されている。

図１（Ｂ）は、振動子１０５の駆動振動モードにおける変形について説明する模式図である。振動子１０５は、Ｘ軸とＹ軸とのそれぞれに沿って互いに逆の位相で伸縮するように駆動される。図１（Ｃ）は、振動子１０５にコリオリの力が加わった状態である、振動子１０５の検出振動モードにおける変形について説明する模式図である。振動子１０５は、駆動による振動とコリオリの力による振動とが互いに直交する方向に発生することになる。そのため、コリオリの力が加わると、振動子１０５は、Ｘ軸およびＹ軸から傾いた方向に沿って伸縮することになる。したがって、振動子１０５では、振動子１０５に加わるコリオリの力の大きさに応じて、ノード点（振動の節）やアンチノード点（振動の腹）の位置が変化（回転）することになる。

このように、振動子１０５におけるノード点やアンチノード点の位置は振動子１０５に加わるコリオリの力の大きさによって変化し、振動子１０５には常にノード点となる箇所が存在しない。そのため、振動子１０５は、各点の変位が阻害されないように支持梁１０３や連結梁１０４によって支持される必要がある。

また、一般に、振動ジャイロでは、角速度の検出感度が高いことが望まれている。角速度の検出感度は、振動子に加わるコリオリの力の最大値と、コリオリの力１Ｎ（ニュートン）当たりに出力される検出電圧（以下、検出効率と称する。）との積に比例する値として表すことができる。コリオリの力の最大値は、振動子の質量と、駆動振動モードでの振動子の変位の最大速度と、振動子に加わる角速度との積として表すことができる。したがって、角速度の検出感度は、検出効率と、振動子の質量と、駆動振動モードでの振動子の変位の最大速度との積に比例する値として表すことができる。

これらの検出効率や、振動子の質量、駆動振動モードでの振動子の変位の最大速度などは、検出感度に対してだけでなく、振動子の厚み、幅寸法、剛性、共振モード及びその共振周波数に対しても相関を持つことになる。

近年、振動ジャイロの小型化が強く求められている。一般に、振動子が小さくなると、振動子の共振周波数が高くなる。このため、小さな振動子を有する振動ジャイロをデジタルカメラなどに搭載したとき、振動子の共振周波数と手ブレの周波数との差が大きくなってしまう。そのため、手ブレなどに対する感度が低くなることがある。

そこで、振動子を特定の構造にしたり、振動子を特定の振動モードで振動するようにしたりすることで、振動子が小さくても、振動子の共振周波数が高くなることを防ぐことができる。

さらに、振動ジャイロのドリフト特性を改善するためには、駆動振動モードと検出振動モードとの両方において、共通のノード点を有する必要がある。

共通のノード点で振動子を支持することにより、振動子を支持する支持部からの振動の漏れや外部からの不要な振動の伝搬を防ぐことができ、良好なドリフト特性を得ることができる。

特開平６−４２９７１号公報 特開２０００−２４９５５４号公報

振動子の共振周波数は振動子の形状で決まる振動モードと剛性と質量とにより定まり、その振動モードにおいては振動子の厚みおよび幅寸法を調整することによって剛性や質量を変化させて、共振周波数を変更することが可能である。しかしながら、振動子の厚みおよび幅寸法を調整することによって共振周波数を変更すると、共振周波数以外の特性まで変化してしまい、角速度の検出感度を改善できないことがある。

また、従来の環状の振動子を備える振動ジャイロ１０１のように、振動子に加わるコリオリの力の大きさに応じて、ノード点やアンチノード点の位置が変化する構成では、振動子において常にノード点となる箇所が存在しない。したがって、振動子の支持を振動する箇所で行うことになり、振動子を支持する支持部からの振動の漏れや、外部からの不要な振動の伝搬が生じてしまうことになる。また、振動子の振動が阻害されて共振周波数が変化し、角速度の検出感度が低くなることもある。

そこで本発明は、位置が固定されたノード点を有し、厚みおよび幅寸法の調整に因らずに低い共振周波数を実現できる振動子と、その振動子を用いて角速度を高い感度で検出することができる振動ジャイロとの実現を目的とする。

この発明に係る振動子は、第１の環状部と、第２の環状部と、連結部とを備える。第２の環状部は、第１の環状部の外側に配置されている。連結部は、第１の環状部と第２の環状部とを連結する。第２の環状部は、直線状の梁部が連結されて構成されている。連結部は、第１の環状部と梁部の中心部とを連結する。

この構成の振動子は、第１の面内振動モードと、第２の面内振動モードとを有する。第１の面内振動モードと第２の面内振動モードでは、第２の環状部の梁部を連結している部分が振動の節（ノード点）となる。また、第１の面内振動モードでは、第１の環状部および第２の環状部における連結部と連結されている部分が振動の腹（アンチノード点）となる。したがって、第２の環状部の梁部を連結している部分で振動子を支持することにより、振動子を支持する支持部を介して振動子の振動が漏れることや、外部からの不要な振動が振動子に伝わることを防ぐことができる。

上述の振動子において、第１の環状部は、平面形状が円環状であり、第２の環状部は、平面形状が矩形環状であると好適である。

この構成では、振動子が回転軸を対称軸とした形状対称性の高いものになる。

上述の振動子において、第１の環状部の連結部との連結位置から、第１の環状部の径方向内側に延びるように設けられた片持ち梁部を備えると好適である。

この構成の振動子では、第１の面内振動モードで片持ち梁部が、延びるように設けられた方向に沿って変位する。第２の面内振動モードで、片持ち梁部が振動面内で延びるように設けられた方向に直交する方向に撓むように振動する。これらの片持ち梁部の振動方向は直交するため、第１，第２の面内振動モードの共振周波数を略一致させることにより、第１，第２の面内振動モードを振動ジャイロの駆動モードまたは検出モードとして、振動ジャイロを構成することができる。

上述の振動子において、錘部を備えると好適である。錘部は、片持ち梁部の端部に接続されている。この構成では、錘部によって振動子の質量が増加する。したがって、片持ち梁部に加わるコリオリの力を大きくすることができる。

この発明の振動ジャイロは、上述の振動子と、駆動部と、検出部とを備える。駆動部は、振動子が第１の面内振動モードで振動するように振動子を駆動する。検出部は、第１の面内振動モードで振動する振動子に、第１の環状部の主面に直交する回転軸回りの角速度によって振動子に加わるコリオリの力により発生する振動子の第２の面内振動モードの振動を検出する。第２の環状部は複数の角部を有し、角部において振動子を支持する支持部を備えると好適である。この構成では、第１の面内振動モードと第２の面内振動モードのいずれにおいても、第２の環状部の梁部を連結している部分が振動の節（ノード点）となるため、第２の環状部の梁部を連結している部分において振動子を支持することで、支持部を介した振動子からの振動の漏れや外部からの不要な振動の伝搬を防いで、角速度の検出感度を高めることができる。

上述の振動ジャイロにおいて、振動子は、シリコン基板からなり、駆動部および検出部は、圧電体膜と、グランド電極と、駆動電極または検出電極とを備えると好適である。この構成では、振動子が駆動部や検出部から独立した構成となる。したがって、振動子の形状を、理想的な振動モードとなる形状にすることができ、角速度の検出感度を高められる。また、振動子は、シリコン基板に対する半導体微細加工により高い形状精度を実現できる。また、圧電体膜や電極は、薄膜微細加工プロセスで形成できる。

上述の振動ジャイロにおいて、圧電体膜と、グランド電極と、駆動電極と、検出電極とは、振動子の１つの面のみに設けられていると好適である。この構成は、半導体微細加工プロセスと薄膜微細加工プロセスとを順に実施することで実現でき、製造工程を簡易化できる。

上述の振動ジャイロにおいて、駆動部および検出部は、浮き電極を備え、駆動電極または検出電極は、圧電体膜を介して浮き電極に対向するように設けられていると好適である。この構成では、浮き電極に接続される配線を設ける必要が無いので、配線を設けるためにシリコン基板や圧電体膜を加工する必要が無く、製造工程を簡易化できる。

上述の振動ジャイロにおいて、駆動電極は、圧電体膜を介してグランド電極に対向するように設けられている第１の駆動電極と、圧電体膜を介してグランド電極に対向し、第１の駆動電極と隣接して設けられている第２の駆動電極とを有すると好適である。この構成では、第1の駆動電極と第２の駆動電極とに逆極性の駆動電圧が印加されることにより、単一の極性の駆動電圧のみが印加される場合に比較して、圧電体膜に加わる電界の強さを２倍にできる。また、第1の駆動電極と第２の駆動電極とに印加される駆動電圧の電圧極性を変更することにより圧電体膜に加わる電界の向きを変更できるので、圧電体膜の分極方向を逆にした場合と同様の変形を容易に実現できる。

この発明の振動子によれば、第２の環状部の梁部を連結している部分が第１の面内振動モードと第２の面内振動モードとで共通するノード点となるため、その連結している部分で振動子を支持することにより、振動子の振動が支持部を介して漏れることや、外部からの不要な振動が振動子に伝わることを防ぐことができる。

また、この発明の振動ジャイロによれば、高い角速度の検出感度を実現できる。

従来の振動子を備える振動ジャイロの構成を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る振動子の構成を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る振動子の振動モードを説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。 本発明の第４の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。 本発明の第５の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。

以下の説明では、振動ジャイロの回転軸を直交座標系のＺ軸とし、平面形状が矩形の振動子の各辺に沿う方向を、それぞれ直交座標系のＸ軸方向、直交座標系のＹ軸方向とする。

《第１の実施形態》
図２は、本発明の第１の実施形態に係る振動子１の構成を示す斜視図である。

振動子１は、平面形状が正方形のシリコン基板からなり、厚み方向に貫通する開口部８Ａ〜８Ｄ，９Ａ〜９Ｄ，１０Ａ，１０Ｂが設けられている。振動子１は、開口部８Ａ〜８Ｄ，９Ａ〜９Ｄ，１０Ａ，１０Ｂによって区画された円形環状部２と、矩形環状部３と、連結部４Ａ〜４Ｄと、片持ち梁部５Ａ〜５Ｄと、錘部７Ａ〜７Ｄとを備えている。円形環状部２は、第１の環状部である。矩形環状部３は、円形環状部２の外側に配置されている。矩形環状部３は、第２の環状部である。矩形環状部３は、角部６Ａ〜６Ｄを備えている。振動子１は半導体微細加工技術を利用して形成されているため、振動子１のＺ軸を対称軸とした形状対称性は極めて高い。

円形環状部２は、平面形状が円環状の部位であり、外周側が開口部８Ａ〜８Ｄによって区画されており、内周側が開口部９Ａ〜９Ｄによって区画されている。円形環状部２において、連結部４Ａとの連結位置から連結部４Ｂとの連結位置までの領域が部分環状領域２Ａであり、連結部４Ｂとの連結位置から連結部４Ｃとの連結位置までの領域が部分環状領域２Ｂであり、連結部４Ｃとの連結位置から連結部４Ｄとの連結位置までの領域が部分環状領域２Ｃであり、連結部４Ｄとの連結位置から連結部４Ａとの連結位置までの領域が部分環状領域２Ｄである。矩形環状部３は、平面形状が矩形環状の部位であり、内側が開口部８Ａ〜８Ｄによって区画されている。矩形環状部３は、梁部３Ａ〜３Ｄを備え、梁部３Ａ〜３Ｄが角部６Ａ〜６Ｄで連結されて構成されている。梁部３Ａ〜３Ｄは、それぞれ直線状である。連結部４Ａ〜４Ｄは、各梁部３Ａ〜３Ｄの中央部と円形環状部２とを連結する部位である。片持ち梁部５Ａ〜５Ｄは、円形環状部２の連結部４Ａ〜４Ｄとの連結位置から円形環状部２の径方向内側に延びるように設けられた部位である。片持ち梁部５Ａ〜５Ｄは、それぞれ、一方の端部である固定端と、他方の端部である可動端とを有する。片持ち梁部５Ａ〜５Ｄの固定端は、円形環状部２と接続されている。片持ち梁部５Ａ〜５Ｄの可動端は、錘部７Ａ〜７Ｄと接続されている。錘部７Ａ〜７Ｄは、平面形状が扇形の部位であり、それぞれ片持ち梁部５Ａ〜５Ｄによって支持されている。錘部７Ａ〜７Ｄは、開口部１０Ａ，１０Ｂによって区画されている。錘部７Ａ〜７Ｄは、振動子１の質量を増加させて、大きなコリオリの力が加わるように設けられている。

図３（Ａ）は、振動子１の第１の面内振動モードについて説明する図である。振動子１の第１の面内振動モードは、Ｘ軸およびＹ軸を対称軸として、振動子１がＸ軸とＹ軸とに沿って伸縮するように振動する振動モードである。この振動モードでは、円形環状部２および矩形環状部３における連結部４Ａ〜４Ｄと連結されている部分が振動の腹（アンチノード点）となり、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに逆位相で振動する。具体的には、以下のように振動する。振動子１がＸ軸に沿って縮み、Ｙ軸に沿って伸びるとき、円形環状部２はＸ軸に沿って縮むとともにＹ軸に沿って伸びて楕円形状となり、矩形環状部３は梁部３Ａと梁部３Ｃとは中心方向に撓み、梁部３Ｂと梁部３Ｄとは外方向に撓むように変形し、錘部７Ａと錘部７Ｃとは近接し、錘部７Ｂと錘部７Ｄとは離間する。振動子１がＸ軸に沿って伸び、Ｙ軸に沿って縮むとき、円形環状部２はＸ軸に沿って伸びるとともにＹ軸に沿って縮んで楕円形状となり、矩形環状部３は梁部３Ａと梁部３Ｃとは外方向に撓み、梁部３Ｂと梁部３Ｄとは中心方向に撓むように変形し、錘部７Ａと錘部７Ｃとは離間し、錘部７Ｂと錘部７Ｄとは近接する。そして、角部６Ａ〜６Ｄが振動子１のノード点となる。また、振動子１の第１の面内振動モードでは、連結部４Ａ〜４Ｄと、片持ち梁部５Ａ〜５Ｄと、錘部７Ａ〜７Ｄとは、Ｘ軸またはＹ軸に沿って往復するように振動する。

図３（Ｂ）は、振動子１の第２の面内振動モードについて説明する図である。振動子１の第２の面内振動モードは、Ｘ軸から±４５°傾斜した方向を対称軸、Ｘ軸およびＹ軸を反対称軸として、Ｘ軸から±４５°傾斜した方向に沿って伸縮するように振動子１が振動する振動モードである。この振動モードでは、円形環状部２において、Ｘ軸から±４５°傾斜した方向である軸と交差する部分が振動の腹（アンチノード点）となる。具体的には、以下のように振動する。円形環状部２がＸ軸から＋４５°傾斜した方向に沿って伸び、Ｘ軸から−４５°傾斜した方向に沿って縮んで楕円形状となるとき、錘部７Ａと錘部７Ｂとは近接し、錘部７Ｃと錘部７Ｄとは近接する。円形環状部２がＸ軸から−４５°傾斜した方向に沿って伸び、Ｘ軸から＋４５°傾斜した方向に沿って縮んで楕円形状となるとき、錘部７Ａと錘部７Ｄとは近接し、錘部７Ｂと錘部７Ｃとは近接する。すると、梁部３Ａ〜３Ｄの中心部や角部６Ａ〜６Ｄが振動子１のノード点となる。また、振動子１の第２の面内振動モードでは、片持ち梁部５Ａ〜５Ｄと、錘部７Ａ〜７Ｄとは、対向するもの同士が反対称に撓むようにＸ軸またはＹ軸に沿って振動する。

錘部７Ａ〜７Ｄは、それぞれ、第１の面内振動モードでの振動方向と第２の面内振動モードでの振動方向とが９０°ずれている。したがって、第１の面内振動モードと第２の面内振動モードとの共振周波数を略一致させることで、これらの振動モードを振動ジャイロにおける駆動振動モードと検出振動モードとして利用することができる。

また、これらの振動モードでは、矩形環状部３の角部６Ａ〜６Ｄが、第１の面内振動モードと第２の面内振動モードとで共通するノード点となる。したがって、ノード点である角部６Ａ〜６Ｄで振動子１を支持すれば、振動子を支持する部位を介した振動の漏れや、外部からの不要な振動の伝搬を防ぐことができる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る振動子１を用いた振動ジャイロ１１の構成例について説明する。図４（Ａ）は、振動ジャイロ１１の平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中にＢ−Ｂ’で示す位置での振動ジャイロ１１の部分拡大断面図である。なお、ここでは電極構成の説明のために、振動子１の各部寸法を変更して図示している。

振動ジャイロ１１は、基板１７と、浮き電極１２と、圧電体膜１３と、グランド電極１４Ａ，１４Ｂと、駆動電極１５Ａ〜１５Ｄと、検出電極１６Ａ〜１６Ｄと、を備えている。

浮き電極１２は、基板１７の上面に設けられている。圧電体膜１３は、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウムナトリウム、酸化亜鉛などのいずれかの圧電材料からなる薄膜であり、浮き電極１２と基板１７とを覆うように設けられている。グランド電極１４Ａ，１４Ｂと、駆動電極１５Ａ〜１５Ｄと、検出電極１６Ａ〜１６Ｄとは、圧電体膜１３の上面に設けられている。基板１７は、シリコン基板からなる。

グランド電極１４Ａは、角部６Ｂに設けられた外部接続用のパッドから二股に分かれて梁部３Ｂと梁部３Ｃとに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ｂ，４Ｃおよび片持ち梁部５Ｂ，５Ｃを経由して錘部７Ｂ，７Ｃの先端まで延びるように設けられている。また、グランド電極１４Ａは、円形環状部２と片持ち梁部５Ｂ，５Ｃとの連結位置から再び二股に分かれて部分環状領域２Ａ，２Ｂに延びるように設けられている。グランド電極１４Ｂは、角部６Ｄに設けられた外部接続用のパッドから二股に分かれて梁部３Ｄと梁部３Ａとに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ｄ，４Ａおよび片持ち梁部５Ｄ，５Ａを経由して錘部７Ｄ，７Ａの先端まで延びるように設けられている。また、グランド電極１４Ｂは、円形環状部２と片持ち梁部５Ｄ，５Ａとの連結位置から再び二股に分かれて部分環状領域２Ｃ，２Ｄに延びるように設けられている。

駆動電極１５Ａは、角部６Ａの脇に設けられた外部接続用のパッドから梁部３Ａに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ａを経由して部分環状領域２Ａに延びるように設けられている。駆動電極１５Ｂは、角部６Ｂの脇に設けられた外部接続用のパッドから梁部３Ｃに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ｃを経由して部分環状領域２Ｂに延びるように設けられている。駆動電極１５Ｃは、角部６Ｃの脇に設けられた外部接続用のパッドから梁部３Ｃに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ｃを経由して部分環状領域２Ｃに延びるように設けられている。駆動電極１５Ｄは、角部６Ｄの脇に設けられた外部接続用のパッドから梁部３Ａに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ａを経由して部分環状領域２Ｄに延びるように設けられている。

検出電極１６Ａは、角部６Ａに設けられた外部接続用のパッドから梁部３Ａに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ａおよび片持ち梁部５Ａを経由して錘部７Ａの先端まで延びるように設けられている。検出電極１６Ｂは、角部６Ｂの脇に設けられた外部接続用のパッドから梁部３Ｂに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ｂおよび片持ち梁部５Ｂを経由して錘部７Ｂの先端まで延びるように設けられている。検出電極１６Ｃは、角部６Ｃに設けられた外部接続用のパッドから梁部３Ｃに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ｃおよび片持ち梁部５Ｃを経由して錘部７Ｃの先端まで延びるように設けられている。検出電極１６Ｄは、角部６Ｄの脇に設けられた外部接続用のパッドから梁部３Ｄに線路状に延びるように設けられ、連結部４Ｄおよび片持ち梁部５Ｄを経由して錘部７Ｄの先端まで延びるように設けられている。

駆動電極１５Ａ〜１５Ｄは、浮き電極１２と、圧電体膜１３と、グランド電極１４Ａ，１４Ｂとともに、駆動部として機能する電気機械変換素子を構成している。検出電極１６Ａ〜１６Ｄは、浮き電極１２と、圧電体膜１３と、グランド電極１４Ａ，１４Ｂとともに、検出部として機能する電気機械変換素子を構成している。

駆動電極１５Ａ〜１５Ｄは、部分環状領域２Ａ〜２ＤにおいてＹ軸に沿うように設けられているため、駆動電極１５Ａ〜１５Ｄに交番電圧を印加すると、振動子１は図３（Ａ）で示した第１の面内振動モードで振動する。すなわち、振動ジャイロ１１は、振動子１の第１の面内振動モードを駆動振動モードとして用いる。

振動ジャイロ１１において、振動子１が駆動振動モードで振動している状態で、振動子１に回転軸であるＺ軸回りの角速度が加わると、回転軸および振動子１の駆動振動モードでの振動方向に対して直交する方向にコリオリの力が加わる。このコリオリの力により、振動子１は、図３（Ｂ）で示した第２の面内振動モードで振動する。すなわち、振動ジャイロ１１は、振動子１の第２の面内振動モードを検出振動モードとして用いる。検出振動モードの振動は、振動子１に加わる角速度の大きさ、すなわち、角速度により生じるコリオリの力の大きさに応じた振幅となる。すると、片持ち梁部５Ａと片持ち梁部５Ｃとが、また、片持ち梁部５Ｂと片持ち梁部５Ｄとが、それぞれ反対方向に撓み、検出電極１６Ａと検出電極１６Ｃとに、また、検出電極１６Ｂと検出電極１６Ｄとに、それぞれ逆位相で検出電圧が発生する。検出電極１６Ａ，１６Ｃの検出電圧を足し合わせた電圧と検出電極１６Ｂ，１６Ｄの検出電圧を足し合わせた電圧とを差動増幅すると、逆位相の検出電圧は加算される。したがって、検出振動モードによる振動の振幅に応じた出力を得るように検出回路を構成することができる。

また、振動ジャイロ１１において、振動子１が駆動振動モードで振動している状態では、振動面内の所定方向に加速度が加わると、その加速度方向に沿って慣性力が加わる。すると、片持ち梁部５Ａと片持ち梁部５Ｃとが、また、片持ち梁部５Ｂと片持ち梁部５Ｄとが、それぞれ同方向に撓み、検出電極１６Ａと検出電極１６Ｃとに、また、検出電極１６Ｂと検出電極１６Ｄとに、それぞれ同位相で検出電圧が発生する。検出電極１６Ａ，１６Ｃの検出電圧を足し合わせた電圧と検出電極１６Ｂ，１６Ｄの検出電圧を足し合わせた電圧とを差動増幅すると、同位相の検出電圧は打ち消し合う。したがって、この加速度による出力を検出しないように検出回路を構成することができる。

以上のように本実施形態の振動ジャイロ１１は構成される。振動ジャイロ１１は、駆動振動モードと検出振動モードのいずれの振動モードにおいても角部６Ａ〜６Ｄがノード点となるため、ノード点である角部６Ａ〜６Ｄにおいて振動子１を支持することで、振動子１の支持部を介した振動の漏れや、外部からの不要な振動の伝搬を防ぐことができ、検出電圧のドリフトが抑えられて角速度の検出感度を高められる。

また、振動子１は、シリコン基板から一体に形成された構成であり、圧電体膜１３と電極１２，１４Ａ，１４Ｂ，１５Ａ〜１５Ｄ，１６Ａ〜１６Ｄとから電気機械変換素子を構成していることにより、振動子の半導体微細加工プロセスと、電極および圧電体膜の薄膜微細加工プロセスとを用いて振動ジャイロ１１を製造することができる。したがって、形状精度を極めて高いものにできる。なお、圧電体膜１３と基板１７との間に浮き電極１２を設けることにより、圧電体膜１３に加わる電界を垂直にすることができ、圧電体膜１３の変形を大きなものにできる。また、浮き電極１２は、振動子１にビアホール等を設けて配線する必要が無く、振動子１を理想的な振動モードで振動させることができる。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ２１について説明する。

図５は、振動ジャイロ２１の部分拡大断面図である。振動ジャイロ２１は、第１の実施形態に係る振動ジャイロ１１とは異なる電極構造を持つ構成である。

振動ジャイロ２１は、グランド電極２２と、圧電体膜２３と、第１の駆動電極２５Ａと、第２の駆動電極２５Ｂと、基板２７とを備えている。グランド電極２２は、圧電体膜２３と基板２７との間に配置されている。グランド電極２２は、第１の実施形態の浮き電極１２をグランドに接続したものである。第１の駆動電極２５Ａと、第２の駆動電極２５Ｂとは、圧電体膜２３を介してグランド電極２２に対向するように設けられている。このような電極構造で、第１の駆動電極２５Ａと第２の駆動電極２５Ｂとに逆位相の駆動電圧が印加されることにより、第１の実施形態で示した電極構造と同じ駆動電圧であっても、圧電体膜２３に加わる電界の強さを２倍にすることができ、振動子１の振動振幅をさらに大きくすることができる。

《第３の実施形態》
次に、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ３１について説明する。図６（Ａ）は、振動ジャイロ３１の平面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）中にＢ−Ｂ’で示す位置での振動ジャイロ３１の断面図である。

振動ジャイロ３１は、第１の実施形態で示した振動子１の角部６Ａ〜６Ｄを支持する支持枠３２を振動子１の外側に備える。支持枠３２は、支持部である。支持枠３２は、上側枠部３３Ａと、ＳｉＯ_２膜３３Ｂと、下側枠部３３Ｃとを備える。上側枠部３３Ａは、振動子１と一体に設けられている。ＳｉＯ_２膜３３Ｂは、上側枠部３３Ａの底面に設けられている。下側枠部３３Ｃは、矩形枠状のシリコン基板からなり、ＳｉＯ_２膜３３Ｂの底面に設けられている。また、振動ジャイロ３１は、グランド電極３４Ａ〜３４Ｄと、駆動電極３５Ａ，３５Ｂと、検出電極３６Ａ〜３６Ｄとを備える。グランド電極３４Ｂ，３４Ｃは、第１の実施形態で示したグランド電極１４Ａに代えて設けられている。グランド電極３４Ａ，３４Ｄは、第１の実施形態で示したグランド電極１４Ｂに代えて設けられている。駆動電極３５Ａは、第１の実施形態で示した駆動電極１５Ａ，１５Ｄに代えて設けられている。駆動電極３５Ｂは、第１の実施形態で示した駆動電極１５Ｂ，１５Ｃに代えて設けられている。検出電極３６Ａ〜３６Ｄは、第１の実施形態で示した検出電極１６Ａ〜１６Ｄに代えて設けられている。グランド電極３４Ａ〜３４Ｄと、駆動電極３５Ａ，３５Ｂと、検出電極３６Ａ〜３６Ｄの外部接続用パッドは支持枠３２に設けられている。

このような構成の場合、グランド電極３４Ａ〜３４Ｄと、駆動電極３５Ａ，３５Ｂと、検出電極３６Ａ〜３６Ｄの外部接続用パッドを支持枠３２に設けることにより、ワイヤボンディング等での配線が容易となる。そして、外部接続用パッドが振動しない支持枠３２に設けられることで、ボンディングワイヤによる振動子１の振動の阻害や、ボンディングワイヤを介した振動の漏れを防ぐことができる。また、振動ジャイロ３１を、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用して製造することができる。ＳＯＩ基板はＳｉＯ_２膜の両面にシリコンの単結晶構造が設けられた基板である。

振動ジャイロ３１においてＳＯＩ基板を利用する場合には、ＳＯＩ基板の天面側からＳｉＯ_２膜をエッチング・ストップ層としたエッチングを行って振動子１と上側枠部３３Ａとを形成し、ＳＯＩ基板の底面側からＳｉＯ_２膜をエッチング・ストップ層としてエッチングを行って下側枠部３３Ｃを形成するとよい。このようにＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ３１を製造することにより、部材供給の安定性と高品質化、製造コストの低廉化などを図ることができる。

図６（Ｃ）は、本実施形態の変形例に係る振動ジャイロ４１の部分拡大断面図である。振動ジャイロ４１は、支持枠４２を備えている。支持枠４２は、上側枠部４３Ａと、ＳｉＯ_２膜４３Ｂと、下側枠部４３Ｃとを備える。上側枠部４３Ａは、振動子１と一体に設けられている。ＳｉＯ_２膜４３Ｂは、上側枠部４３Ａの底面に設けられている。下方枠部４３Ｃは、矩形状のシリコン基板からなり、ＳｉＯ_２膜４３Ｂの底面に設けられている。

このような構成の場合にも、ＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ４１を製造することができる。具体的には、ＳＯＩ基板の天面側からＳｉＯ_２膜をエッチング・ストップ層としたエッチングを行って振動子１と上側枠部４３Ａとを形成し、そのエッチングによる開口部からＳｉＯ_２膜をエッチングすることにより、ＳｉＯ_２膜４３Ｂをパターン形成するとよい。この場合にも、ＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ４１を製造することにより、部材供給の安定性と高品質化、製造コストの低廉化などを図ることができる。

《第４の実施形態》
次に、本発明の第４の実施形態に係る振動ジャイロ５１について説明する。図７（Ａ）は、振動ジャイロ５１の平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中にＢ−Ｂ’で示す位置での振動ジャイロ５１の部分拡大断面図である。

振動ジャイロ５１は、第１の実施形態で示した開口部８Ａ〜８Ｄ（符号不図示）の内側に、振動子１の角部６Ａ〜６Ｄを支持する支持柱５２Ａ〜５２Ｄを備える。支持柱５２Ａ〜５２Ｄは、支持部である。支持柱５２Ａ〜５２Ｄは、上側柱部５３Ａと、ＳｉＯ_２膜５３Ｂと、下側柱部５３Ｃとを備える。上側柱部５３Ａは、振動子１と一体に設けられている。ＳｉＯ_２膜５３Ｂは、上側柱部５３Ａの底面に設けられている。下側柱部５３Ｃは、シリコン基板からなり、ＳｉＯ_２膜５３Ｂの底面に設けられている。また、振動ジャイロ５１は、グランド電極５４Ａ，５４Ｂと、駆動電極５５Ａ〜５５Ｄと、検出電極５６Ａ〜５６Ｄとを備える。グランド電極５４Ａ，５４Ｂは、第１の実施形態で示したグランド電極１４Ａ，１４Ｂに代えて設けられている。駆動電極５５Ａ〜５５Ｄは、第１の実施形態で示した駆動電極１５Ａ〜１５Ｄに代えて設けられている。検出電極５６Ａ〜５６Ｄは、第１の実施形態で示した検出電極１６Ａ〜１６Ｄに代えて設けられている。上記の点以外は、振動ジャイロ５１は、第１の実施形態で示した振動ジャイロ１１と同様の構成を有する。グランド電極５４Ａ，５４Ｂと、駆動電極５５Ａ〜５５Ｄと、検出電極５６Ａ〜５６Ｄの外部接続用パッドは支持柱５２Ａ〜５２Ｄに設けられている。

このような構成の場合、振動子１の角部６Ａ〜６Ｄを支持する支持柱５２Ａ〜５２Ｄを、矩形環状部３と円形環状部２との間に位置する開口部８Ａ〜８Ｄ（符号不図示）の内側に設けるために、振動ジャイロ５１を極めて小型に構成できる。また、支持柱５２Ａ〜５２Ｄに、グランド電極５４Ａ，５４Ｂと、駆動電極５５Ａ〜５５Ｄと、検出電極５６Ａ〜５６Ｄの外部接続用パッドを設けることにより、ワイヤボンディング等での配線が容易となる。そして、外部接続用パッドが振動しない支持柱５２Ａ〜５２Ｄに設けられることで、ボンディングワイヤによる振動子１の振動の阻害や、ボンディングワイヤを介した振動の漏れを防ぐことができる。また、振動ジャイロ５１を、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用して製造することができる。具体的には、ＳＯＩ基板の天面側からＳｉＯ_２膜をエッチング・ストップ層としたエッチングを行って振動子１と上側柱部５３Ａとを形成し、ＳＯＩ基板の底面側からＳｉＯ_２膜をエッチング・ストップ層としてエッチングを行って下側柱部５３Ｃを形成するとよい。このようにＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ５１を製造することにより、部材供給の安定性と高品質化、製造コストの低廉化などを図ることができる。

図７（Ｃ）は、本実施形態の変形例に係る振動ジャイロ６１の部分拡大断面図である。振動ジャイロ６１は、支持柱６２Ａ〜６２Ｄを備えている。支持柱６２Ａ〜６２Ｄは、上側柱部６３Ａと、ＳｉＯ_２膜６３Ｂと、下側部６３Ｃとを備える。上側柱部６３Ａは、振動子１と一体に設けられている。ＳｉＯ_２膜６３Ｂは、上側柱部６３Ａの底面に設けられている。下側部６３Ｃは、シリコン基板からなり、ＳｉＯ_２膜６３Ｂの底面に設けられている。

このような構成の場合にも、ＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ６１を製造することができる。具体的には、ＳＯＩ基板の天面側からＳｉＯ_２膜をエッチング・ストップ層としたエッチングを行って振動子１と上側柱部６３Ａとを形成し、そのエッチングによる開口部からＳｉＯ_２膜をエッチングすることにより、ＳｉＯ_２膜６３Ｂをパターン形成するとよい。この場合にも、ＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ６１を製造することにより、部材供給の安定性と高品質化、製造コストの低廉化などを図ることができる。

《第５の実施形態》
次に、本発明の第５の実施形態に係る振動ジャイロ７１の構成について説明する。図８は、振動ジャイロ７１の平面図である。

振動ジャイロ７１は、片持ち梁部７５Ａ〜７５Ｄと、錘部７７Ａ〜７７Ｄとを備えている。片持ち梁部７５Ａ〜７５Ｄは、第１の実施形態で示した片持ち梁部５Ａ〜５Ｄに代えて設けられている。錘部７７Ａ〜７７Ｄは、第１の実施形態で示した錘部７Ａ〜７Ｄに代えて設けられている。片持ち梁部７５Ａ〜７５Ｄと錘部７７Ａ〜７７Ｄとの連結部分には、片持ち梁部７５Ａ〜７５Ｄに沿ってスリットを設けられている。これにより、片持ち梁部７５Ａ〜７５Ｄを長くしている。これにより、振動子１の第２の面内振動モードの共振周波数がより低いものになる。このような構成であれば、片持ち梁部７５Ａ〜７５Ｄと錘部７７Ａ〜７７Ｄとの連結部分に設けるスリットの長さを調整することで、振動子１の第２の面内振動モードの共振周波数を調整することが可能になり、第１の面内振動モードの共振周波数と第２の面内振動モードの共振周波数との周波数差を調整することができる。

以上の各実施形態に示したように本発明は実施できるが、本発明の範囲は実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲および均等の範囲での如何なる変更も含まれることが意図される。

例えば、駆動部や検出部は、圧電体膜を利用した電気機械変換素子に限られず、静電容量などその他の原理を利用した素子として構成することもできる。また、ここでは振動子と電気機械変換素子とを、それぞれ独立した構成としたが、両者を一体に構成することもできる。各部の素材や製造方法、形状も上述したものに限られるものではなく、円形環状部や矩形環状部を多角形の環状としたり、駆動部と検出部とを振動子の異なる主面に配置したりしてもよい。

１…振動子
２…円形環状部
２Ａ〜２Ｄ…部分環状領域
３…矩形環状部
３Ａ〜３Ｄ…梁部
４Ａ〜４Ｄ…連結部
５Ａ〜５Ｄ，７５Ａ〜７５Ｄ…片持ち梁部
６Ａ〜６Ｄ…角部
７Ａ〜７Ｄ，７７Ａ〜７７Ｄ…錘部
８Ａ〜８Ｄ，９Ａ〜９Ｄ，１０Ａ，１０Ｂ…開口部
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１…振動ジャイロ
１２…浮き電極
１３…圧電体膜
１４Ａ，１４Ｂ…グランド電極
１５Ａ〜１５Ｄ…駆動電極
１６Ａ〜１６Ｄ…検出電極
１７…基板
２２…グランド電極
２３…圧電体膜
２５Ａ…第１の駆動電極
２５Ｂ…第２の駆動電極
２７…基板
３２，４２…支持枠
３３Ａ，４３Ａ…上側枠部
３３Ｂ，４３Ｂ，５３Ｂ，６３Ｂ…ＳｉＯ_２膜
３３Ｃ，４３Ｃ…下側枠部
３４Ａ〜３４Ｄ…グランド電極
３５Ａ，３５Ｂ…駆動電極
３６Ａ〜３６Ｄ…検出電極
５２Ａ〜５２Ｄ，６２Ａ〜６２Ｄ…支持柱
５３Ａ，６３Ａ…上側柱部
５３Ｃ…下側柱部
５４Ａ，５４Ｂ…グランド電極
５５Ａ〜５５Ｄ…駆動電極
５６Ａ〜５６Ｄ…検出電極
６３Ｃ…下側部

Claims (8)

1. 第１の環状部と、
   前記第１の環状部の外側に配置された第２の環状部と、
   前記第１の環状部と前記第２の環状部とを連結する連結部と、を備える振動子であって、
   前記第２の環状部は、直線状の梁部が連結されて構成されており、
   前記連結部は、前記第１の環状部と前記梁部の中心部とを連結し、
   前記第１の環状部の前記連結部との連結位置から、前記第１の環状部の径方向内側に延びるように設けられた片持ち梁部を備え、
   前記片持ち梁部の端部に接続されている錘部を備える、振動子。
2. 前記第１の環状部は、平面形状が円環状であり、
   前記第２の環状部は、平面形状が矩形環状である、
   請求項１に記載の振動子。
3. 請求項１または請求項２に記載の振動子と、
   前記振動子が第１の面内振動モードで振動するように前記振動子を駆動する駆動部と、
   前記第１の面内振動モードで振動する前記振動子に、前記第１の環状部の主面に直交する回転軸回りの角速度によって前記振動子に加わるコリオリの力により発生する前記振動子の第２の面内振動モードの振動を検出する検出部と、
   を備える、振動ジャイロ。
4. 前記第２の環状部は複数の角部を有し、
   前記角部において前記振動子を支持する支持部を備える、請求項３に記載の振動ジャイロ。
5. 前記振動子は、シリコン基板からなり、
   前記駆動部および前記検出部は、圧電体膜と、グランド電極と、駆動電極または検出電極とを備える、請求項３または請求項４に記載の振動ジャイロ。
6. 前記圧電体膜と、前記グランド電極と、前記駆動電極と、前記検出電極とは、前記振動子の１つの面のみに設けられている、請求項５に記載の振動ジャイロ。
7. 前記駆動部および前記検出部は、浮き電極を備え、
   前記駆動電極または前記検出電極は、前記圧電体膜を介して前記浮き電極に対向するように設けられている、請求項６に記載の振動ジャイロ。
8. 前記駆動電極は、前記圧電体膜を介して前記グランド電極に対向するように設けられている第１の駆動電極と、前記圧電体膜を介して前記グランド電極に対向し、前記第１の駆動電極と隣接して設けられている第２の駆動電極とを有する、請求項６に記載の振動ジャイロ。