振動ジャイロ素子、ジャイロセンサー及び電子機器
【課題】両側音叉型の振動ジャイロ素子において、駆動用検出腕の機械的振動漏れによる影響を解消又は軽減して検出精度及び感度を向上させる。
【解決手段】振動ジャイロ素子１１は支持部１２から互いに逆向きに延出する各１対の駆動用振動腕１３ａ，１３ｂと検出用振動腕１４ａ，１４ｂとを備え、駆動用振動腕は駆動モードでＸＹ面内方向に共振周波数ｆｄで屈曲振動し、検出モードではＹ軸周りの回転によるコリオリ力によってＺ軸方向に逆相で屈曲振動し、検出用振動腕がＺ軸方向に駆動用振動腕とは逆相で屈曲振動する。検出用振動腕はＸＹ面内方向に共振周波数ｆｈ＜ｆｄで屈曲振動するように設定され、共振周波数ｆｈは駆動モードにおいて各検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ1，Ｓ2との差｜Ｓ1−Ｓ2｜を小さくするように設定される。
【解決手段】振動ジャイロ素子１１は支持部１２から互いに逆向きに延出する各１対の駆動用振動腕１３ａ，１３ｂと検出用振動腕１４ａ，１４ｂとを備え、駆動用振動腕は駆動モードでＸＹ面内方向に共振周波数ｆｄで屈曲振動し、検出モードではＹ軸周りの回転によるコリオリ力によってＺ軸方向に逆相で屈曲振動し、検出用振動腕がＺ軸方向に駆動用振動腕とは逆相で屈曲振動する。検出用振動腕はＸＹ面内方向に共振周波数ｆｈ＜ｆｄで屈曲振動するように設定され、共振周波数ｆｈは駆動モードにおいて各検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ1，Ｓ2との差｜Ｓ1−Ｓ2｜を小さくするように設定される。
【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、基部から一方の側に平行に延長する１対の駆動用振動腕と、その反対側に平行に延長する１対の検出用振動腕とを備える両側音叉型の屈曲振動片が知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。図１０は、従来の両側音叉型屈曲振動片からなる振動ジャイロ素子及び検出回路の典型例を概略的に示している。同図において、振動ジャイロ素子１は、中央の支持部２から一方の側に平行に延出する１対の駆動用振動腕３ａ，３ｂと、それとは反対側に平行に延出する１対の検出用振動腕４ａ，４ｂとを有する。
【０００４】
駆動用振動腕３ａ，３ｂは、その表面に形成した駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、その主面と同じＸＹ面内で互いに逆向きに屈曲振動する。この駆動モード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、その角速度に応じたコリオリ力の作用で、前記駆動用振動腕は主面に垂直なＺ軸方向に互いに逆向きに屈曲振動し、これに共振して検出用振動腕４ａ，４ｂが同じくＺ軸方向に互いに逆向きに屈曲振動する。
【０００５】
このとき、前記各検出用振動腕の表面に形成した検出電極間にそれぞれ発生する電位差を検出回路５により取り出すことによって、振動ジャイロ素子１の前記回転及びその角速度等が求められる。検出回路５は、例えばチャージアンプ６ａ，６ｂからなる電流電圧変換回路、差動アンプ７からなる差動増幅回路、ハイパスフィルター８からなる同期検波回路、及びＡＣアンプ９で構成される。前記差動増幅回路は、前記各検出電極からそれぞれ対応する電流電圧変換回路を経て入力した検出信号の差分を増幅して出力する。
【０００６】
同様の両側音叉型として、連結片からそれぞれ上下方向に延出する各１対の第１及び第２の振動片と、連結片から上下方向に延出する支持片とを有する角速度センサが知られている（例えば、特許文献３を参照）。この角速度センサは、角速度の検出精度を向上させるために、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している。
【０００７】
また、高精度の角速度検出を可能にする電極構造を備えた両側音叉型の圧電振動ジャイロからなる角速度検出装置が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。この圧電振動ジャイロは、水晶等の圧電性結晶材料からなる矩形断面の振動腕がコリオリ力でＺ軸方向に振動する際に、該断面の第１及び第２角部に電荷が集中して発生することに着目し、該角部を覆うように第１及び第２電極を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３４０５５９号公報
【特許文献２】特開２００７−９３４００号公報
【特許文献３】特開平９−３２９４４４号公報
【特許文献４】特開平９−３１１０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように１対の検出用振動腕を有する振動ジャイロ素子は、各検出用振動腕からそれぞれ出力される検出信号を差動増幅することによって、それらに同程度に含まれるノイズ等の不要な信号成分を有効に除去することができる。しかしながら、各検出用振動腕の検出信号に含まれる不要な信号成分がアンバランスな場合は、それらを十分に除去することができないため、検出精度が低下する虞がある。
【００１０】
一般に振動ジャイロ素子は、水晶等の圧電単結晶材料のウエハをフォトエッチングして所望の外形を加工し、その表面に電極膜をパターニングして形成される。しかしながら、圧電単結晶材料はエッチング異方性を有するため、ウエットエッチングで加工した振動腕の断面は理想的な矩形でなく、左右に非対称な形状になる。また、外形加工の際にフォトマスクの位置合わせにずれがあると、振動腕の断面が厚さ方向に上下で非対称になる虞がある。その結果、駆動モードにおいて駆動用検出腕から機械的振動漏れが生じ、振動ジャイロ素子が回転していないにも拘わらず、検出用振動腕から検出信号が出力される場合がある。
【００１１】
また、各対の振動腕は左右で振動がアンバランスになる虞がある。かかるアンバランスな振動の結果、各検出用振動腕からの検出信号に不要な信号成分がアンバランスに含まれる虞がある。このようなアンバランスな不要な信号成分は、検出回路において差動増幅する際に有効に除去できないため、検出精度を低下させる虞がある。
【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、両側音叉型の振動ジャイロ素子において、駆動用検出腕から機械的振動漏れにより生じる各検出用振動腕の検出信号のアンバランスを解消して、検出精度及び感度を向上させることにある。
【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、
支持部から並んで延出する１対の駆動用振動腕と、
支持部から駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する１対の検出用振動腕とを備え、
前記１対の駆動用振動腕が、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、前記１対の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる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は逆相で屈曲振動し、前記１対の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は逆相で屈曲振動する検出モードとを有し、
前記１対の検出用振動腕が、面内方向に互いに逆向きに駆動用振動腕の共振周波数ｆｄより低い所定の共振周波数ｆｈで屈曲振動するように設定され、駆動モードにおいて一方の検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ1と他方の検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ2との差｜Ｓ1−Ｓ2｜を小さくするように、共振周波数ｆｈを設定したことを特徴とする。
【００１４】
本願発明者らは、後述するように、検出用振動腕を駆動モードと同じ面内方向に互いに逆向きに、即ち面内モードで屈曲振動させた場合の共振周波数を利用することによって、各検出用振動腕からの検出信号にアンバランスに含まれる不要な信号成分を有効に除去し又は大幅に低減し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００１５】
各検出用振動腕から出力される検出信号の値の差｜Ｓ1−Ｓ2｜が、各検出用振動腕にアンバランスに作用している駆動用振動腕の機械的振動漏れの差であることから、検出用振動腕の共振周波数ｆｈと駆動用振動腕の共振周波数ｆｄとをｆｈ＜ｆｄとし、かつ｜Ｓ1−Ｓ2｜を小さくするように共振周波数ｆｈを設定することによって、駆動用振動腕の機械的振動漏れが振動ジャイロ素子の検出感度及び／又は精度に及ぼす影響を実質的に解消し又は大幅に低減することができる。
【００１６】
また、本発明の振動ジャイロ素子は、
支持部と、
支持部から並んで延出する１対の駆動用振動腕と、
支持部から駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する１対の検出用振動腕とを備え、
前記１対の駆動用振動腕が、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、前記１対の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる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は逆相で屈曲振動し、前記１対の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は逆相で屈曲振動する検出モードとを有し、
前記１対の検出用振動腕が、面内方向に互いに逆向きに所定の共振周波数ｆｈで屈曲振動するように設定され、共振周波数ｆｈが、
ｆｈ＜ｆｄ、及び、｜（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ｜≧０．３
を満足することを特徴とする。
【００１７】
このように共振周波数ｆｈ、ｆｄを設定することによって、各検出用振動腕からの検出信号の値の差｜Ｓ1−Ｓ2｜、即ち各検出用振動腕にアンバランスに作用している駆動用振動腕の機械的振動漏れの差を小さくすることができるので、振動ジャイロ素子の検出感度及び／又は精度を向上させることができる。
【００１８】
或る実施例では、共振周波数ｆｈが、｜（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ｜≧０．４を満足することによって、駆動用振動腕の機械的振動漏れが各検出用振動腕の検出信号に及ぼす作用のアンバランスを解消し、振動ジャイロ素子の検出感度及び／又は精度をより一層向上させることができる。
【００１９】
別の実施例では、駆動用振動腕の長さＬdに対する支持部の長さＬbをＬb／Ｌd≧２の範囲に設定することによって、駆動用振動腕の機械的振動漏れが各検出用振動腕の検出信号に及ぼす影響を低減し、振動ジャイロ素子の検出感度及び／又は精度を更に向上させることができる。
【００２０】
更に別の実施例では、駆動用振動腕の長さＬdに対する支持部の長さＬbをＬb／Ｌd≧３の範囲に設定することによって、駆動用振動腕の機械的振動漏れの影響を更に低減することができる。
【００２１】
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り、検出感度及び／又は精度の高いジャイロセンサーが提供される。
【００２２】
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り、検出感度及び／又は精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が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例による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）図は図１の振動ジャイロ素子の検出モードにおける振動モードを、（Ｂ）図は検出用振動腕の面内方向の振動モードをそれぞれ示す説明図。
【図３】図１の振動ジャイロ素子に接続される検出回路の典型例を示す回路図。
【図４】駆動用振動腕の共振周波数５０ｋＨｚと面内モードにおける検出用振動腕の共振周波数との差に関する、駆動モードにおける各検出用振動腕の振動漏れ信号の差を示す線図。
【図５】駆動用振動腕の共振周波数５０ｋＨｚに対する面内モードにおける検出用振動腕の共振周波数との差の比率に関する、駆動モードにおける各検出用振動腕の振動漏れ信号の差の変化率を示す線図。
【図６】駆動用振動腕の共振周波数１００ｋＨｚに対する面内モードにおける検出用振動腕の共振周波数との差の比率に関する、駆動モードにおける各検出用振動腕の振動漏れ信号の差の変化率を示す線図。
【図７】駆動用振動腕の共振周波数５０ｋＨｚにおいて、駆動用振動腕の長さと支持部の長さとの比Ｌb／Ｌdに関する、駆動モードにおける各検出用振動腕の振動漏れ信号の差を示す線図。
【図８】駆動用振動腕の共振周波数１００ｋＨｚにおいて、駆動用振動腕の長さと支持部の長さとの比Ｌb／Ｌdに関する、駆動モードの各検出用振動腕の振動漏れ信号の差を示す線図。
【図９】（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IX−IX線における拡大断面図である。
【図１０】従来の振動ジャイロ素子及び検出回路の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
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１１を概略的に示している。振動ジャイロ素子１１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１２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１３ａ，１３ｂ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１４ａ，１４ｂ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１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂが設けられている。前記各駆動用振動腕と支持部１２及び錘部１５ａ，１５ｂ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１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂがそれぞれ形成されている。同様に、前記各検出用振動腕と支持部１２及び錘部１６ａ，１６ｂ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１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂがそれぞれ形成されている。
【００２６】
駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの表面には、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面内方向に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１４ａ，１４ｂの表面には、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１３ａ，１３ｂは、図１に矢示するように面内方向に逆向きに即ち互いに接近離反する向きに屈曲振動する。
【００２７】
この状態で振動ジャイロ素子１１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、駆動用振動腕１３ａ，１３ｂ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屈曲振動する。図２（Ａ）に示すように、前記各駆動用振動腕の振動方向は、コリオリ力の作用方向２１ａ，２１ｂに関して逆相である。このＺ軸方向の振動に共振して、検出用振動腕１４ａ，１４ｂが検出モードで、同じくＺ軸方向に互いに逆向きに屈曲振動する。このとき、前記各検出用振動腕の振動方向は、駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの振動方向とは逆相になる。
【００２８】
この検出モードにおいて、各検出用振動腕１４ａ，１４ｂの前記検出電極間に発生する電位差を取り出すことによって、振動ジャイロ素子１１の前記回転及びその角速度等が求められる。図３は、振動ジャイロ素子１１に接続されて、ジャイロセンサの一部を構成する検出回路の一例を示している。検出回路２２は、チャージアンプ２３ａ，２３ｂ、差動アンプ２４、ハイパスフィルター２５、及びＡＣアンプ２６から構成される。前記各検出電極は、実際には振動ジャイロ素子１１の支持部１２上に引き出された接続電極（図示せず）を介して、検出回路２２に接続されている。
【００２９】
差動アンプ２４は、前記各検出電極からそれぞれ対応するチャージアンプ２３ａ，２３ｂを経て入力した検出信号の差分を増幅して出力する。これにより、理想的には各検出用振動腕１４ａ，１４ｂにおいて同程度に発生したノイズ等の不要な信号成分を検出信号から有効に除去することができ、高い検出精度が得られる。しかしながら、各検出用振動腕１４ａ，１４ｂからの検出信号に不要な信号成分がアンバランスに含まれる場合は、それらを有効に除去することができないため、検出精度が低下する虞がある。
【００３０】
本発明によれば、検出用振動腕１４ａ，１４ｂを単独で、検出モードのＺ軸方向ではなく、図２（Ｂ）に示すように駆動モードと同じ面内方向に互いに逆向きに屈曲振動させた場合、即ち面内モードの共振周波数を利用することによって、前記各検出用振動腕からの検出信号にアンバランスに含まれる不要な信号成分を有効に除去し又は大幅に低減する。検出用振動腕１４ａ，１４ｂの面内モードの共振周波数ｆｈは、駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの駆動モードの共振周波数ｆｄに関連して、以下に説明するように設定する。
【００３１】
先ず、前記検出用振動腕の面内モードの共振周波数ｆｈを前記駆動用振動腕の駆動モードの共振周波数ｆｄに対して、常にｆｈ＜ｆｄを満足するように設定する。前記駆動用振動腕の駆動モードの共振周波数ｆｄを５０ｋＨｚ一定とし、前記検出用振動腕の共振周波数ｆｈを概ね±５０ｋＨｚの範囲で変化させて設計した図１の振動ジャイロ素子１１について、駆動モードで駆動用振動腕１３ａ，１３ｂを振動させたときに検出用振動腕１４ａ，１４ｂからそれぞれ出力される検出信号を測定した。この駆動モードにおける検出信号は、前記駆動用振動腕の振動が支持部１２を伝搬して前記各検出用振動腕にＺ軸方向の振動を生じさせた機械的振動漏れによる振動漏れ信号である。
【００３２】
以下の表１は、この測定結果を表している。同表において、左欄は、面内モードにおける前記検出用振動腕の共振周波数ｆｈと前記駆動用振動腕の駆動モードの共振周波数ｆｄとの差Δｆｈ＝ｆｈ−ｆｄである。右欄は、一方の検出用振動腕１４ａの振動漏れ信号Ｓ1と他方の検出用振動腕１４ｂの振動漏れ信号Ｓ2との差を電圧値mＶｐ１−ｐ２で表している。同表から、振動漏れ信号の差は、ｆｈ＞ｆｄの範囲では比較的大きくかつ周波数差と共に増大しており、ｆｈ＜ｆｄの範囲でないと小さくできないことが分かる。
【００３３】
【表１】
【００３４】
図４は、この振動ジャイロ素子１１について、ｆｈ＜ｆｄの範囲で、面内モードでの周波数差Δｆｈ＝ｆｈ−ｆｄに関する、駆動モードにおいて各検出用振動腕から出力される振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜をｐｐｍ表示で示している。同図から、周波数差Δｆｈが−１５ｋＨｚを超えて小さくなると、振動漏れ信号の差が急激に小さくなり始めていることが分かる。そして、−２０ｋＨｚを超えると、振動漏れ信号の差は、検出信号への影響が実質的に解消したか極めて小さい程度まで縮小している。従って、本実施例では、前記駆動用振動腕の共振周波数ｆｄ＝５０ｋＨｚに対して、前記検出用振動腕をその面内モードにおける共振周波数ｆｈが−２０ｋＨｚ以上小さくなるように設計することによって、前記駆動用振動腕の機械的振動漏れが検出感度及び／又は精度に及ぼす影響を実質的に解消し又は大幅に低減することができる。
【００３５】
図５は、同じ共振周波数ｆｄ＝５０ｋＨｚの振動ジャイロ素子１１について、前記検出用振動腕の共振周波数ｆｈに関する振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜の変化率を示している。同図において、横軸は、前記駆動用振動腕の共振周波数ｆｄに対する面内モードでの周波数差Δｆｈ＝ｆｈ−ｆｄの比、Ｆｃ＝（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ（％）である。縦軸は、Ｆｃ＝１％の場合の振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜（ｐｐｍ）を基準値ｍ０として、これに対する振動漏れ信号の差ｍ＝｜Ｓ1−Ｓ2｜の比、Ｍｒ＝ｍ／ｍ０を振動漏れ変化率として表している。
【００３６】
上記説明及び表１、図４から分かるように、Ｆｃ＝１％の場合の振動漏れの差ｍ０は相当大きいから、振動漏れ変化率が小さいほど、振動漏れ信号の差ｍは小さく、検出感度及び精度の向上に好ましい。同図から、面内モードでの前記両振動腕の共振周波数をｆｈ＜ｆｄとし、かつ周波数差の比をＦｃ≦−５０％とした場合に、振動漏れ変化率は０．８以下に小さくなることが分かる。更に、周波数差の比Ｆｃ≦−７５％の場合、振動漏れ変化率を０．６以下に小さくでき、Ｆｃ≦−８４％では、振動漏れ変化率を０．５以下に小さくすることができる。ｆｄ＝５０ｋＨｚであるから、Ｆｃ＝−５０％、−７５％、−８４％は、Δｆｈ＝−２５ｋＨｚ、−３７．５ｋＨｚ、−４２ｋＨｚにそれぞれ相当する。
【００３７】
図６は、共振周波数ｆｄ＝１００ｋＨｚとした同じ振動ジャイロ素子１１について、前記検出用振動腕の共振周波数ｆｈに関する振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜の変化率を示している。同図において、横軸及び縦軸は図５と同じである。同図から、面内モードでの前記両振動腕の共振周波数をｆｈ＜ｆｄとし、かつ周波数差の比をＦｃ≦−３０％にすると、振動漏れ変化率は０．９以下に小さくなることが分かる。更に、周波数差の比Ｆｃ≦−６０％の場合、振動漏れ変化率を０．８以下に小さくでき、Ｆｃ≦−７０％では、振動漏れ変化率を０．７以下に小さくすることができる。ｆｄ＝１００ｋＨｚであるから、Ｆｃ＝−３０％、−６０％、−７０％は、Δｆｈ＝−３０ｋＨｚ、−６０ｋＨｚ、−７０ｋＨｚにそれぞれ相当する。
【００３８】
また、振動ジャイロ素子１１の長手方向即ちＹ軸方向に沿って駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの長さＬdに対する支持部１２の長さＬbの寸法比が、駆動モードにおける前記駆動用振動腕から検出用振動腕１４ａ，１４ｂへの振動漏れに影響し得ることが知られている。ここで、前記駆動用振動腕の長さＬdは、前記駆動用振動腕の長さＬdは、図１に示すように、該振動腕の全長から錘部１５ａ，１５ｂ及びテーパ部１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ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する。
【００３９】
そこで、駆動用振動腕の長さと支持部の長さとの寸法比Ｌb／Ｌdに関する、振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜（ｐｐｍ）をシミューレーションにより測定した。図７は、駆動用振動腕の共振周波数ｆｄ＝５０ｋＨｚの場合のシミューレーション結果を示している。同図から分かるように、支持部１２の長さＬbを駆動用振動腕の長さＬdに対して約１．６倍以上に大きくすることによって、振動漏れ信号の差は、検出信号への影響が実質的に解消したか極めて小さい程度まで縮小している。
【００４０】
図８は、駆動用振動腕の共振周波数ｆｄ＝１００ｋＨｚの場合のシミューレーション結果を示している。同図から、支持部１２の長さＬbを駆動用振動腕の長さＬdに対して約２倍以上、好ましくは約２．４倍以上に大きくすることによって、振動漏れ信号の差は、検出信号への影響が実質的に解消したか極めて小さい程度まで縮小することが分かる。
【００４１】
一般に本実施例のような振動ジャイロ素子は、例えば水晶ウエハからフォトエッチングを利用した加工方法を用いて製造することができる。しかしながら、水晶等の単結晶圧電材料はエッチング異方性エッチング異方性を有するため、振動腕の断面が理想的な矩形ではなく、左右に非対称な形状になる。また、屈曲振動片の外形加工において、フォトマスクの位置合わせにずれがあると、振動腕の断面が厚さ方向に上下で非対称になる虞がある。その結果、各対の振動腕は左右で振動がアンバランスになる虞がある。更に、かかるアンバランスな振動は、各検出用振動腕からの検出信号に不要な信号成分がアンバランスに含まれる結果となり、それらを検出回路において差動増幅する際に有効に除去できないため、検出精度を低下させる虞がある。
【００４２】
本実施例の振動ジャイロ素子１１は、以下の加工方法を用いることによって、水晶ウエハから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。
【００４３】
図９（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１３ａ，１３ｂから錘部１５ａ〜１６ａ，１５ｂ〜１６ｂ及びテーパ部１７ａ〜２０ａ，１７ｂ〜２０ｂ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１３ａ，１３ｂ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。
【００４４】
次に、図９（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１３ａ，１３ｂ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。
【００４５】
特に、左右の駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの間隔Ｄdを、図９（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。
【００４６】
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１１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。
【００４７】
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１３ａ，１３ｂ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。尚、上記実施例では、駆動用振動腕１３ａ，１３ｂのみをレーザー光照射により加工したが、検出用振動腕１４ａ，１４ｂも同様に加工することができる。
【００４８】
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、本発明は、上述した両側音叉型以外の構造を有する振動ジャイロ素子にも、同様に適用することができる。また、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。更に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。
【００４９】
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】
【００５０】
１，１１…振動ジャイロ素子、２，１２…支持部、３ａ，３ｂ，１３ａ，１３ｂ…駆動用振動腕、４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ…検出用振動腕、５，２２…検出回路、６ａ，６ｂ，２３ａ，２３ｂ…チャージアンプ、７，２４…差動アンプ、８，２５…ハイパスフィルター、９，２６…ＡＣアンプ、１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ…錘部、１７ａ〜２０ａ，１７ｂ〜２０ｂ…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。
【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、基部から一方の側に平行に延長する１対の駆動用振動腕と、その反対側に平行に延長する１対の検出用振動腕とを備える両側音叉型の屈曲振動片が知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。図１０は、従来の両側音叉型屈曲振動片からなる振動ジャイロ素子及び検出回路の典型例を概略的に示している。同図において、振動ジャイロ素子１は、中央の支持部２から一方の側に平行に延出する１対の駆動用振動腕３ａ，３ｂと、それとは反対側に平行に延出する１対の検出用振動腕４ａ，４ｂとを有する。
【０００４】
駆動用振動腕３ａ，３ｂは、その表面に形成した駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、その主面と同じＸＹ面内で互いに逆向きに屈曲振動する。この駆動モード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、その角速度に応じたコリオリ力の作用で、前記駆動用振動腕は主面に垂直なＺ軸方向に互いに逆向きに屈曲振動し、これに共振して検出用振動腕４ａ，４ｂが同じくＺ軸方向に互いに逆向きに屈曲振動する。
【０００５】
このとき、前記各検出用振動腕の表面に形成した検出電極間にそれぞれ発生する電位差を検出回路５により取り出すことによって、振動ジャイロ素子１の前記回転及びその角速度等が求められる。検出回路５は、例えばチャージアンプ６ａ，６ｂからなる電流電圧変換回路、差動アンプ７からなる差動増幅回路、ハイパスフィルター８からなる同期検波回路、及びＡＣアンプ９で構成される。前記差動増幅回路は、前記各検出電極からそれぞれ対応する電流電圧変換回路を経て入力した検出信号の差分を増幅して出力する。
【０００６】
同様の両側音叉型として、連結片からそれぞれ上下方向に延出する各１対の第１及び第２の振動片と、連結片から上下方向に延出する支持片とを有する角速度センサが知られている（例えば、特許文献３を参照）。この角速度センサは、角速度の検出精度を向上させるために、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している。
【０００７】
また、高精度の角速度検出を可能にする電極構造を備えた両側音叉型の圧電振動ジャイロからなる角速度検出装置が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。この圧電振動ジャイロは、水晶等の圧電性結晶材料からなる矩形断面の振動腕がコリオリ力でＺ軸方向に振動する際に、該断面の第１及び第２角部に電荷が集中して発生することに着目し、該角部を覆うように第１及び第２電極を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３４０５５９号公報
【特許文献２】特開２００７−９３４００号公報
【特許文献３】特開平９−３２９４４４号公報
【特許文献４】特開平９−３１１０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように１対の検出用振動腕を有する振動ジャイロ素子は、各検出用振動腕からそれぞれ出力される検出信号を差動増幅することによって、それらに同程度に含まれるノイズ等の不要な信号成分を有効に除去することができる。しかしながら、各検出用振動腕の検出信号に含まれる不要な信号成分がアンバランスな場合は、それらを十分に除去することができないため、検出精度が低下する虞がある。
【００１０】
一般に振動ジャイロ素子は、水晶等の圧電単結晶材料のウエハをフォトエッチングして所望の外形を加工し、その表面に電極膜をパターニングして形成される。しかしながら、圧電単結晶材料はエッチング異方性を有するため、ウエットエッチングで加工した振動腕の断面は理想的な矩形でなく、左右に非対称な形状になる。また、外形加工の際にフォトマスクの位置合わせにずれがあると、振動腕の断面が厚さ方向に上下で非対称になる虞がある。その結果、駆動モードにおいて駆動用検出腕から機械的振動漏れが生じ、振動ジャイロ素子が回転していないにも拘わらず、検出用振動腕から検出信号が出力される場合がある。
【００１１】
また、各対の振動腕は左右で振動がアンバランスになる虞がある。かかるアンバランスな振動の結果、各検出用振動腕からの検出信号に不要な信号成分がアンバランスに含まれる虞がある。このようなアンバランスな不要な信号成分は、検出回路において差動増幅する際に有効に除去できないため、検出精度を低下させる虞がある。
【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、両側音叉型の振動ジャイロ素子において、駆動用検出腕から機械的振動漏れにより生じる各検出用振動腕の検出信号のアンバランスを解消して、検出精度及び感度を向上させることにある。
【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、
支持部から並んで延出する１対の駆動用振動腕と、
支持部から駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する１対の検出用振動腕とを備え、
前記１対の駆動用振動腕が、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、前記１対の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる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は逆相で屈曲振動し、前記１対の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は逆相で屈曲振動する検出モードとを有し、
前記１対の検出用振動腕が、面内方向に互いに逆向きに駆動用振動腕の共振周波数ｆｄより低い所定の共振周波数ｆｈで屈曲振動するように設定され、駆動モードにおいて一方の検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ1と他方の検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ2との差｜Ｓ1−Ｓ2｜を小さくするように、共振周波数ｆｈを設定したことを特徴とする。
【００１４】
本願発明者らは、後述するように、検出用振動腕を駆動モードと同じ面内方向に互いに逆向きに、即ち面内モードで屈曲振動させた場合の共振周波数を利用することによって、各検出用振動腕からの検出信号にアンバランスに含まれる不要な信号成分を有効に除去し又は大幅に低減し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００１５】
各検出用振動腕から出力される検出信号の値の差｜Ｓ1−Ｓ2｜が、各検出用振動腕にアンバランスに作用している駆動用振動腕の機械的振動漏れの差であることから、検出用振動腕の共振周波数ｆｈと駆動用振動腕の共振周波数ｆｄとをｆｈ＜ｆｄとし、かつ｜Ｓ1−Ｓ2｜を小さくするように共振周波数ｆｈを設定することによって、駆動用振動腕の機械的振動漏れが振動ジャイロ素子の検出感度及び／又は精度に及ぼす影響を実質的に解消し又は大幅に低減することができる。
【００１６】
また、本発明の振動ジャイロ素子は、
支持部と、
支持部から並んで延出する１対の駆動用振動腕と、
支持部から駆動用振動腕とは反対側に並んで延出する１対の検出用振動腕とを備え、
前記１対の駆動用振動腕が、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、前記１対の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる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は逆相で屈曲振動し、前記１対の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は逆相で屈曲振動する検出モードとを有し、
前記１対の検出用振動腕が、面内方向に互いに逆向きに所定の共振周波数ｆｈで屈曲振動するように設定され、共振周波数ｆｈが、
ｆｈ＜ｆｄ、及び、｜（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ｜≧０．３
を満足することを特徴とする。
【００１７】
このように共振周波数ｆｈ、ｆｄを設定することによって、各検出用振動腕からの検出信号の値の差｜Ｓ1−Ｓ2｜、即ち各検出用振動腕にアンバランスに作用している駆動用振動腕の機械的振動漏れの差を小さくすることができるので、振動ジャイロ素子の検出感度及び／又は精度を向上させることができる。
【００１８】
或る実施例では、共振周波数ｆｈが、｜（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ｜≧０．４を満足することによって、駆動用振動腕の機械的振動漏れが各検出用振動腕の検出信号に及ぼす作用のアンバランスを解消し、振動ジャイロ素子の検出感度及び／又は精度をより一層向上させることができる。
【００１９】
別の実施例では、駆動用振動腕の長さＬdに対する支持部の長さＬbをＬb／Ｌd≧２の範囲に設定することによって、駆動用振動腕の機械的振動漏れが各検出用振動腕の検出信号に及ぼす影響を低減し、振動ジャイロ素子の検出感度及び／又は精度を更に向上させることができる。
【００２０】
更に別の実施例では、駆動用振動腕の長さＬdに対する支持部の長さＬbをＬb／Ｌd≧３の範囲に設定することによって、駆動用振動腕の機械的振動漏れの影響を更に低減することができる。
【００２１】
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り、検出感度及び／又は精度の高いジャイロセンサーが提供される。
【００２２】
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り、検出感度及び／又は精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が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例による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）図は図１の振動ジャイロ素子の検出モードにおける振動モードを、（Ｂ）図は検出用振動腕の面内方向の振動モードをそれぞれ示す説明図。
【図３】図１の振動ジャイロ素子に接続される検出回路の典型例を示す回路図。
【図４】駆動用振動腕の共振周波数５０ｋＨｚと面内モードにおける検出用振動腕の共振周波数との差に関する、駆動モードにおける各検出用振動腕の振動漏れ信号の差を示す線図。
【図５】駆動用振動腕の共振周波数５０ｋＨｚに対する面内モードにおける検出用振動腕の共振周波数との差の比率に関する、駆動モードにおける各検出用振動腕の振動漏れ信号の差の変化率を示す線図。
【図６】駆動用振動腕の共振周波数１００ｋＨｚに対する面内モードにおける検出用振動腕の共振周波数との差の比率に関する、駆動モードにおける各検出用振動腕の振動漏れ信号の差の変化率を示す線図。
【図７】駆動用振動腕の共振周波数５０ｋＨｚにおいて、駆動用振動腕の長さと支持部の長さとの比Ｌb／Ｌdに関する、駆動モードにおける各検出用振動腕の振動漏れ信号の差を示す線図。
【図８】駆動用振動腕の共振周波数１００ｋＨｚにおいて、駆動用振動腕の長さと支持部の長さとの比Ｌb／Ｌdに関する、駆動モードの各検出用振動腕の振動漏れ信号の差を示す線図。
【図９】（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IX−IX線における拡大断面図である。
【図１０】従来の振動ジャイロ素子及び検出回路の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
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１１を概略的に示している。振動ジャイロ素子１１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１２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１３ａ，１３ｂ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１４ａ，１４ｂ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１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂが設けられている。前記各駆動用振動腕と支持部１２及び錘部１５ａ，１５ｂ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１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂがそれぞれ形成されている。同様に、前記各検出用振動腕と支持部１２及び錘部１６ａ，１６ｂ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１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂがそれぞれ形成されている。
【００２６】
駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの表面には、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面内方向に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１４ａ，１４ｂの表面には、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１３ａ，１３ｂは、図１に矢示するように面内方向に逆向きに即ち互いに接近離反する向きに屈曲振動する。
【００２７】
この状態で振動ジャイロ素子１１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、駆動用振動腕１３ａ，１３ｂ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屈曲振動する。図２（Ａ）に示すように、前記各駆動用振動腕の振動方向は、コリオリ力の作用方向２１ａ，２１ｂに関して逆相である。このＺ軸方向の振動に共振して、検出用振動腕１４ａ，１４ｂが検出モードで、同じくＺ軸方向に互いに逆向きに屈曲振動する。このとき、前記各検出用振動腕の振動方向は、駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの振動方向とは逆相になる。
【００２８】
この検出モードにおいて、各検出用振動腕１４ａ，１４ｂの前記検出電極間に発生する電位差を取り出すことによって、振動ジャイロ素子１１の前記回転及びその角速度等が求められる。図３は、振動ジャイロ素子１１に接続されて、ジャイロセンサの一部を構成する検出回路の一例を示している。検出回路２２は、チャージアンプ２３ａ，２３ｂ、差動アンプ２４、ハイパスフィルター２５、及びＡＣアンプ２６から構成される。前記各検出電極は、実際には振動ジャイロ素子１１の支持部１２上に引き出された接続電極（図示せず）を介して、検出回路２２に接続されている。
【００２９】
差動アンプ２４は、前記各検出電極からそれぞれ対応するチャージアンプ２３ａ，２３ｂを経て入力した検出信号の差分を増幅して出力する。これにより、理想的には各検出用振動腕１４ａ，１４ｂにおいて同程度に発生したノイズ等の不要な信号成分を検出信号から有効に除去することができ、高い検出精度が得られる。しかしながら、各検出用振動腕１４ａ，１４ｂからの検出信号に不要な信号成分がアンバランスに含まれる場合は、それらを有効に除去することができないため、検出精度が低下する虞がある。
【００３０】
本発明によれば、検出用振動腕１４ａ，１４ｂを単独で、検出モードのＺ軸方向ではなく、図２（Ｂ）に示すように駆動モードと同じ面内方向に互いに逆向きに屈曲振動させた場合、即ち面内モードの共振周波数を利用することによって、前記各検出用振動腕からの検出信号にアンバランスに含まれる不要な信号成分を有効に除去し又は大幅に低減する。検出用振動腕１４ａ，１４ｂの面内モードの共振周波数ｆｈは、駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの駆動モードの共振周波数ｆｄに関連して、以下に説明するように設定する。
【００３１】
先ず、前記検出用振動腕の面内モードの共振周波数ｆｈを前記駆動用振動腕の駆動モードの共振周波数ｆｄに対して、常にｆｈ＜ｆｄを満足するように設定する。前記駆動用振動腕の駆動モードの共振周波数ｆｄを５０ｋＨｚ一定とし、前記検出用振動腕の共振周波数ｆｈを概ね±５０ｋＨｚの範囲で変化させて設計した図１の振動ジャイロ素子１１について、駆動モードで駆動用振動腕１３ａ，１３ｂを振動させたときに検出用振動腕１４ａ，１４ｂからそれぞれ出力される検出信号を測定した。この駆動モードにおける検出信号は、前記駆動用振動腕の振動が支持部１２を伝搬して前記各検出用振動腕にＺ軸方向の振動を生じさせた機械的振動漏れによる振動漏れ信号である。
【００３２】
以下の表１は、この測定結果を表している。同表において、左欄は、面内モードにおける前記検出用振動腕の共振周波数ｆｈと前記駆動用振動腕の駆動モードの共振周波数ｆｄとの差Δｆｈ＝ｆｈ−ｆｄである。右欄は、一方の検出用振動腕１４ａの振動漏れ信号Ｓ1と他方の検出用振動腕１４ｂの振動漏れ信号Ｓ2との差を電圧値mＶｐ１−ｐ２で表している。同表から、振動漏れ信号の差は、ｆｈ＞ｆｄの範囲では比較的大きくかつ周波数差と共に増大しており、ｆｈ＜ｆｄの範囲でないと小さくできないことが分かる。
【００３３】
【表１】
【００３４】
図４は、この振動ジャイロ素子１１について、ｆｈ＜ｆｄの範囲で、面内モードでの周波数差Δｆｈ＝ｆｈ−ｆｄに関する、駆動モードにおいて各検出用振動腕から出力される振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜をｐｐｍ表示で示している。同図から、周波数差Δｆｈが−１５ｋＨｚを超えて小さくなると、振動漏れ信号の差が急激に小さくなり始めていることが分かる。そして、−２０ｋＨｚを超えると、振動漏れ信号の差は、検出信号への影響が実質的に解消したか極めて小さい程度まで縮小している。従って、本実施例では、前記駆動用振動腕の共振周波数ｆｄ＝５０ｋＨｚに対して、前記検出用振動腕をその面内モードにおける共振周波数ｆｈが−２０ｋＨｚ以上小さくなるように設計することによって、前記駆動用振動腕の機械的振動漏れが検出感度及び／又は精度に及ぼす影響を実質的に解消し又は大幅に低減することができる。
【００３５】
図５は、同じ共振周波数ｆｄ＝５０ｋＨｚの振動ジャイロ素子１１について、前記検出用振動腕の共振周波数ｆｈに関する振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜の変化率を示している。同図において、横軸は、前記駆動用振動腕の共振周波数ｆｄに対する面内モードでの周波数差Δｆｈ＝ｆｈ−ｆｄの比、Ｆｃ＝（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ（％）である。縦軸は、Ｆｃ＝１％の場合の振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜（ｐｐｍ）を基準値ｍ０として、これに対する振動漏れ信号の差ｍ＝｜Ｓ1−Ｓ2｜の比、Ｍｒ＝ｍ／ｍ０を振動漏れ変化率として表している。
【００３６】
上記説明及び表１、図４から分かるように、Ｆｃ＝１％の場合の振動漏れの差ｍ０は相当大きいから、振動漏れ変化率が小さいほど、振動漏れ信号の差ｍは小さく、検出感度及び精度の向上に好ましい。同図から、面内モードでの前記両振動腕の共振周波数をｆｈ＜ｆｄとし、かつ周波数差の比をＦｃ≦−５０％とした場合に、振動漏れ変化率は０．８以下に小さくなることが分かる。更に、周波数差の比Ｆｃ≦−７５％の場合、振動漏れ変化率を０．６以下に小さくでき、Ｆｃ≦−８４％では、振動漏れ変化率を０．５以下に小さくすることができる。ｆｄ＝５０ｋＨｚであるから、Ｆｃ＝−５０％、−７５％、−８４％は、Δｆｈ＝−２５ｋＨｚ、−３７．５ｋＨｚ、−４２ｋＨｚにそれぞれ相当する。
【００３７】
図６は、共振周波数ｆｄ＝１００ｋＨｚとした同じ振動ジャイロ素子１１について、前記検出用振動腕の共振周波数ｆｈに関する振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜の変化率を示している。同図において、横軸及び縦軸は図５と同じである。同図から、面内モードでの前記両振動腕の共振周波数をｆｈ＜ｆｄとし、かつ周波数差の比をＦｃ≦−３０％にすると、振動漏れ変化率は０．９以下に小さくなることが分かる。更に、周波数差の比Ｆｃ≦−６０％の場合、振動漏れ変化率を０．８以下に小さくでき、Ｆｃ≦−７０％では、振動漏れ変化率を０．７以下に小さくすることができる。ｆｄ＝１００ｋＨｚであるから、Ｆｃ＝−３０％、−６０％、−７０％は、Δｆｈ＝−３０ｋＨｚ、−６０ｋＨｚ、−７０ｋＨｚにそれぞれ相当する。
【００３８】
また、振動ジャイロ素子１１の長手方向即ちＹ軸方向に沿って駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの長さＬdに対する支持部１２の長さＬbの寸法比が、駆動モードにおける前記駆動用振動腕から検出用振動腕１４ａ，１４ｂへの振動漏れに影響し得ることが知られている。ここで、前記駆動用振動腕の長さＬdは、前記駆動用振動腕の長さＬdは、図１に示すように、該振動腕の全長から錘部１５ａ，１５ｂ及びテーパ部１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ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する。
【００３９】
そこで、駆動用振動腕の長さと支持部の長さとの寸法比Ｌb／Ｌdに関する、振動漏れ信号の差｜Ｓ1−Ｓ2｜（ｐｐｍ）をシミューレーションにより測定した。図７は、駆動用振動腕の共振周波数ｆｄ＝５０ｋＨｚの場合のシミューレーション結果を示している。同図から分かるように、支持部１２の長さＬbを駆動用振動腕の長さＬdに対して約１．６倍以上に大きくすることによって、振動漏れ信号の差は、検出信号への影響が実質的に解消したか極めて小さい程度まで縮小している。
【００４０】
図８は、駆動用振動腕の共振周波数ｆｄ＝１００ｋＨｚの場合のシミューレーション結果を示している。同図から、支持部１２の長さＬbを駆動用振動腕の長さＬdに対して約２倍以上、好ましくは約２．４倍以上に大きくすることによって、振動漏れ信号の差は、検出信号への影響が実質的に解消したか極めて小さい程度まで縮小することが分かる。
【００４１】
一般に本実施例のような振動ジャイロ素子は、例えば水晶ウエハからフォトエッチングを利用した加工方法を用いて製造することができる。しかしながら、水晶等の単結晶圧電材料はエッチング異方性エッチング異方性を有するため、振動腕の断面が理想的な矩形ではなく、左右に非対称な形状になる。また、屈曲振動片の外形加工において、フォトマスクの位置合わせにずれがあると、振動腕の断面が厚さ方向に上下で非対称になる虞がある。その結果、各対の振動腕は左右で振動がアンバランスになる虞がある。更に、かかるアンバランスな振動は、各検出用振動腕からの検出信号に不要な信号成分がアンバランスに含まれる結果となり、それらを検出回路において差動増幅する際に有効に除去できないため、検出精度を低下させる虞がある。
【００４２】
本実施例の振動ジャイロ素子１１は、以下の加工方法を用いることによって、水晶ウエハから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。
【００４３】
図９（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１３ａ，１３ｂから錘部１５ａ〜１６ａ，１５ｂ〜１６ｂ及びテーパ部１７ａ〜２０ａ，１７ｂ〜２０ｂ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１３ａ，１３ｂ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。
【００４４】
次に、図９（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１３ａ，１３ｂ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。
【００４５】
特に、左右の駆動用振動腕１３ａ，１３ｂの間隔Ｄdを、図９（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。
【００４６】
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１１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。
【００４７】
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１３ａ，１３ｂ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。尚、上記実施例では、駆動用振動腕１３ａ，１３ｂのみをレーザー光照射により加工したが、検出用振動腕１４ａ，１４ｂも同様に加工することができる。
【００４８】
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、本発明は、上述した両側音叉型以外の構造を有する振動ジャイロ素子にも、同様に適用することができる。また、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。更に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。
【００４９】
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】
【００５０】
１，１１…振動ジャイロ素子、２，１２…支持部、３ａ，３ｂ，１３ａ，１３ｂ…駆動用振動腕、４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ…検出用振動腕、５，２２…検出回路、６ａ，６ｂ，２３ａ，２３ｂ…チャージアンプ、７，２４…差動アンプ、８，２５…ハイパスフィルター、９，２６…ＡＣアンプ、１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ…錘部、１７ａ〜２０ａ，１７ｂ〜２０ｂ…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。
【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１対の駆動用振動腕と、
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１対の検出用振動腕とを備え、
前記１対の駆動用振動腕が、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１対の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向とは逆相で屈曲振動し、前記１対の検出用振動腕が前記面外方向に互いに逆向きにかつ前記駆動用振動腕とは逆相で屈曲振動する検出モードとを有し、
前記１対の検出用振動腕が、前記面内方向に互いに逆向きに前記駆動用振動腕の共振周波数ｆｄより低い所定の共振周波数ｆｈで屈曲振動するように設定され、前記駆動モードにおいて一方の前記検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ1と他方の前記検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ2との差｜Ｓ1−Ｓ2｜を小さくするように、前記共振周波数ｆｈを設定した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１対の駆動用振動腕と、
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１対の検出用振動腕とを備え、
前記１対の駆動用振動腕が、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１対の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向とは逆相で屈曲振動し、前記１対の検出用振動腕が前記面外方向に互いに逆向きにかつ前記駆動用振動腕とは逆相で屈曲振動する検出モードとを有し、
前記１対の検出用振動腕が、前記面内方向に互いに逆向きに所定の共振周波数ｆｈで屈曲振動するように設定され、前記共振周波数ｆｈが、
ｆｈ＜ｆｄ、及び、｜（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ｜≧０．３
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】
前記共振周波数ｆｈが、｜（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ｜≧０．４を満足する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に対する前記支持部の長さＬbをＬb／Ｌd≧２の範囲に設定したことを特徴とする請求項２又は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に対する前記支持部の長さＬbをＬb／Ｌd≧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】
請求項１乃至５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７】
請求項１乃至５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。
【請求項１】
支持部と、
前記支持部から並んで延出する１対の駆動用振動腕と、
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１対の検出用振動腕とを備え、
前記１対の駆動用振動腕が、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１対の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向とは逆相で屈曲振動し、前記１対の検出用振動腕が前記面外方向に互いに逆向きにかつ前記駆動用振動腕とは逆相で屈曲振動する検出モードとを有し、
前記１対の検出用振動腕が、前記面内方向に互いに逆向きに前記駆動用振動腕の共振周波数ｆｄより低い所定の共振周波数ｆｈで屈曲振動するように設定され、前記駆動モードにおいて一方の前記検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ1と他方の前記検出用振動腕から出力される検出信号の値Ｓ2との差｜Ｓ1−Ｓ2｜を小さくするように、前記共振周波数ｆｈを設定した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１対の駆動用振動腕と、
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１対の検出用振動腕とを備え、
前記１対の駆動用振動腕が、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１対の駆動用振動腕がその表裏主面に交わる面外方向に互いに逆向きにかつ前記コリオリ力の作用方向とは逆相で屈曲振動し、前記１対の検出用振動腕が前記面外方向に互いに逆向きにかつ前記駆動用振動腕とは逆相で屈曲振動する検出モードとを有し、
前記１対の検出用振動腕が、前記面内方向に互いに逆向きに所定の共振周波数ｆｈで屈曲振動するように設定され、前記共振周波数ｆｈが、
ｆｈ＜ｆｄ、及び、｜（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ｜≧０．３
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】
前記共振周波数ｆｈが、｜（ｆｈ−ｆｄ）／ｆｄ｜≧０．４を満足する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に対する前記支持部の長さＬbをＬb／Ｌd≧２の範囲に設定したことを特徴とする請求項２又は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に対する前記支持部の長さＬbをＬb／Ｌd≧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】
請求項１乃至５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７】
請求項１乃至５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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２４６７８（Ｐ２０１３−２４６７８Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８７２４（Ｐ２０１１−１５８７２４）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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