角速度検出振動片の製造方法
【課題】本発明は、角速度検出振動片の離調周波数の調整範囲を拡大することを目的としている。
【解決手段】相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面１２，１４を有し、基部１６及び基部１６から厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部１８を含む支持体１０であって、腕部１８の第１の表面１２に、駆動用圧電積層体７０及び検出用圧電積層体８０が形成され、腕部１８に、第２の表面１４が露出している露出領域３０を有する支持体１０を用意する。第２の表面１４の露出領域３０をエッチングする。駆動用圧電積層体７０及び検出用圧電積層体８０のそれぞれは、下部電極膜２２，８２と、下部電極膜２２，８２上に形成された圧電膜２４，８４と、圧電膜２４，８４上に形成された上部電極膜２６，８６と、を含む。エッチングによって厚みを減らして、腕部１８の厚み方向に関する曲げ剛性を低くする。
【解決手段】相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面１２，１４を有し、基部１６及び基部１６から厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部１８を含む支持体１０であって、腕部１８の第１の表面１２に、駆動用圧電積層体７０及び検出用圧電積層体８０が形成され、腕部１８に、第２の表面１４が露出している露出領域３０を有する支持体１０を用意する。第２の表面１４の露出領域３０をエッチングする。駆動用圧電積層体７０及び検出用圧電積層体８０のそれぞれは、下部電極膜２２，８２と、下部電極膜２２，８２上に形成された圧電膜２４，８４と、圧電膜２４，８４上に形成された上部電極膜２６，８６と、を含む。エッチングによって厚みを減らして、腕部１８の厚み方向に関する曲げ剛性を低くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度検出振動片の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度に応じて振動が変化する性質を利用した角速度検出振動片においては、駆動方向の固有振動周波数と、コリオリ力が働く方向の固有振動周波数との差、即ち、離調周波数を調整する必要がある。なぜなら、離調周波数が低いとノイズが多くなり、離調周波数が高いと検出感度が低下するからである。従来の角速度検出振動片の離調周波数の調整としては、圧電振動片を切削する方法が知られている（特許文献１、２）。しかし、切削は生産効率が低く量産には適さなかった。また別の方法として、角速度検出振動片の錘部や電極膜を除去して離調周波数を調整する方法が知られている（特許文献３）。しかし、この方法を用いると、駆動方向の固有振動周波数とコリオリ力が働く方向の固有振動周波数がともに高くなるように変化してしまう。また、音叉型圧電振動片においては、支持部自体の質量を減らすことで固有振動周波数を調整する方法が知られているが（特許文献４）、この方法を角速度検出振動片に適用しても、駆動方向の固有振動周波数とコリオリ力が働く方向の固有振動周波数がともに高くなるように変化してしまう。このように駆動方向の固有振動周波数とコリオリ力が働く方向の固有振動周波数がとも高くなるように変化する方法では、離調周波数の調整効果が小さいため、調整範囲が狭くなっていた。
【特許文献１】特開平１１−９４５５５号公報
【特許文献２】特開平１０−２５３３６３号公報
【特許文献３】特開２００６−１０５６１４号公報
【特許文献４】特開２００１−２１７６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、離調周波数の調整範囲を拡大することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］本適用例に係る角速度検出振動片の製造方法は、
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部を含む支持体であって、前記腕部の前記第１の表面に、駆動用圧電積層体及び検出用圧電積層体が形成され、前記腕部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域をエッチングする工程を含み、
前記駆動用圧電積層体及び前記検出用圧電積層体のそれぞれは、下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、を含み、
前記エッチングによって前記厚みを減らして、前記腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を低くする。本適用例によれば、腕部の厚みを調整し、曲げ剛性を調整することによって駆動方向の固有振動周波数を選択的に調整することができる。腕部の厚みによる固有振動周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、離調周波数の調整範囲を拡大することができる。
［適用例２］本適用例に係る角速度検出振動片の製造方法において、
前記エッチングを行う前に、前記腕部の前記第２の表面には錘金属膜が形成されており、
前記露出領域をエッチングする工程において、前記錘金属膜の表面もエッチングする。
［適用例３］本適用例に係る角速度検出振動片の製造方法は、
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部を含む支持体であって、前記腕部の前記第１の表面に、駆動用圧電積層体及び検出用圧電積層体が形成され、前記腕部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域に補強金属膜を形成する工程を含み、
前記駆動用圧電積層体及び前記検出用圧電積層体のそれぞれは、下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、を含み、
前記補強金属膜によって、前記腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を高くする。本適用例によれば、腕部の厚みを調整し、曲げ剛性を調整することによって駆動方向の固有振動周波数を選択的に調整することができる。また、腕部の厚みによる固有振動周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、離調周波数の調整範囲を拡大することができる。
［適用例４］本適用例に係る振動片の製造方法において、
前記支持体は、圧電材料から構成されてなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法を説明する図である。図２(Ａ)は、図１に示す角速度検出振動片のIIA−IIA線断面図であり、図２(Ｂ)は、図１に示す角速度検出振動片のIIB−IIB線断面図である。
【０００６】
本実施の形態では、支持体１０を用意する。支持体１０は、水晶などの圧電材料（例えば、Ｚカット板、ＡＴカット板、Ｘカット板）から構成してもよいし、シリコンから構成してもよい。支持体１０は、相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面１２，１４を有する。支持体１０は、基部１６及び基部１６から厚み方向に直交して並んで延びる少なくとも１つの腕部１８を含む。基部１６及び腕部１８の形状は、板材をエッチング（ウエットエッチング及びドライエッチングの少なくとも一方）することによって得ることができる。
【０００７】
腕部１８の第１の表面１２には、駆動用圧電積層体７０が形成されている。駆動用圧電積層体７０は、腕部１８の長さに沿って延びており、腕部１８の幅方向の中央に位置している。駆動用圧電積層体７０は、下部電極膜２２と、下部電極膜２２上に形成された圧電膜２４と、圧電膜２４上に形成された上部電極膜２６と、を含む。下部電極膜２２及び上部電極膜２６の間に電圧を印加すると、電界の方向によって圧電膜２４が圧縮・伸張し、第１の表面１２がこれに従うので腕部１８が屈曲する。例えば、圧電膜２４が伸びると腕部１８は第２の表面１４の方向に屈曲し、圧電膜２４が縮むと腕部１８は反対方向（第１の表面１２の方向）に屈曲する。
【０００８】
駆動力が腕部１８に働いて、腕部１８が動くときに、腕部１８の延びる方向（腕部１８が動く方向と直交する方向）の軸周りに角速度ωの回転が加えられると、腕部１８には、図１に示すコリオリ力Ｆｃ＝ｍｖωが働く（ｍは腕部１８の速度ｖで動く箇所の質量）。これにより、腕部１８は、駆動力とコリオリ力Ｆｃの合成力によって屈曲する。
【０００９】
下部電極膜２２は、基部１６上に至るように形成する（図示せず）。下部電極膜２２の形成は、スパッタリングや蒸着によって導電膜を形成し、その後、導電膜をエッチングによってパターニングするプロセスを含んでもよい。あるいは、パターニングされたマスクを支持体１０に形成してから、支持体１０のマスクに覆われていない領域に導電膜を形成してもよい。圧電膜２４は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどの水晶よりも圧電性の高い材料から形成する。圧電膜２４は、下部電極膜２２の、腕部１８上の部分の全体を覆っている。圧電膜２４の形成には、材料を除いて、下部電極膜２２を形成する技術のほか、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、ゾルゲル法などを適用することができる。上部電極膜２６は、基部１６上に至るように形成する（図示せず）。上部電極膜２６の形成には、下部電極膜２２を形成する技術を適用することができる。
【００１０】
腕部１８の第１の表面１２には、検出用圧電積層体８０が形成されている。検出用圧電積層体８０は、腕部１８の長さに沿って延びており、駆動用圧電積層体７０と並んで配置されている。図１の例では、検出用圧電積層体８０は、駆動用圧電積層体７０を挟む両側（腕部１８の幅方向の端部）に配置されている。検出用圧電積層体８０は、下部電極膜８２と、下部電極膜８２上に形成された圧電膜８４と、圧電膜８４上に形成された上部電極膜８６と、を含む。腕部１８の屈曲に伴って圧電膜８４が圧縮・伸張すると、その圧電効果によって、下部電極膜８２及び上部電極膜８６の間に電圧が生じる。下部電極膜８２、上部電極膜８６及び圧電膜８４の材料、形状、配置及び形成方法には、駆動用圧電積層体７０について説明した内容を適用することができる。
【００１１】
腕部１８の第２の表面１４には錘金属膜２８が形成されている。錘金属膜２８は、腕部１８の、基部１６とは反対側の先端部に形成する。錘金属膜２８は、第２の表面１４の少なくとも一部が露出領域３０を有するように形成する。第２の表面１４には、錘金属膜２８を除いて、電極膜が形成されていない。
【００１２】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、腕部１８の第２の表面１４の露出領域３０をエッチングする。エッチングには、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６などのプラズマガスを使用したドライエッチングを適用することができる。露出領域３０をエッチングするときに、腕部１８の側面（第１及び第２の表面１２，１４を接続する面）もエッチングされてもよい。ただし、腕部１８の厚み方向のエッチングレートを、腕部１８の幅方向のエッチングレートの２倍より高くする。これは、腕部１８の厚みが減る量を、腕部１８の幅が減る量より大きくして離調周波数の調整効果を確保するためである。また、露出領域３０をエッチングするときに、錘金属膜２８の表面がエッチングされるとしても、錘金属膜２８を残すようにエッチングを止める。錘金属膜２８がマスクになるので、支持体１０（腕部１８）の錘金属膜２８にて覆われた部分は、表面がエッチングされず、錘金属膜２８にて覆われた部分の表面と、エッチングされた部分の表面とで段が形成される。支持体１０の錘金属膜２８にて覆われた部分（腕部１８の先端部）は、エッチングされた部分よりも厚くなっているので錘としての効果がある。
【００１３】
本実施の形態によれば、第２の表面１４の露出領域３０をエッチングするので、腕部１８の厚みが減り、腕部１８を厚み方向に曲がりやすくすることができる。そして、腕部１８の厚みを調整することによって、腕部１８の厚み方向の曲がりやすさを調整し、駆動方向の固有振動周波数を選択的に調整することができる。腕部１８の厚みによる固有周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、離調周波数の調整範囲を拡大することができる。
【００１４】
腕部１８の曲がりにくさ・曲がりやすさの指標として、厚み方向に関する曲げ剛性ＥＩを用いる。図１５に示すように腕部１８（広義には、梁）に曲げモーメントＭ（Ｓは中立面を指す。）が加わった際に、腕部１８が曲率１／ρ（＝ｄθ／ｄｘ）で静的にたわんでいる場合は、
１／ρ＝Ｍ／ＥＩ
の関係を有する。曲げ剛性ＥＩが高いほど曲がりにくい。
【００１５】
なお、Ｅは材料固有のヤング率、Ｉは断面２次モーメントである。
【００１６】
断面２次モーメントＩは、微小断面要素ｄＡに、曲げた際に引張応力が０である中立軸ＡＸからの距離ｙの２乗を、掛けた値の総和であり、式で表わすと次のように定義される。
【００１７】
Ｉ＝∫Ａｙ２ｄＡ
図１６に示すように、中立軸ＡＸに平行な辺の長さ（幅）ｂ、中立軸ＡＸに垂直な辺の長さ（厚み）ｔの長方形の断面を有する腕部１８の断面２次モーメントＩｔは、
Ｉｔ＝ｂｔ３／１２
となる。したがって、厚み方向に関する断面２次モーメントおよび曲げ剛性は、腕部１８の厚みｔの３乗に比例するため、厚みを調整することで、厚み方向の曲がりやすさを大きく制御することができる。
【００１８】
なお、腕部の厚み方向の固有振動周波数Ｆ、腕部１８の長さＬ、腕部１８の厚み（振動する方向の厚み）ｔは、
Ｆ＝ｋ・ｔ／Ｌ２（ｋ：比例定数）
の関係を有する。腕部１８の幅の変化は、厚み方向の固有振動周波数に影響しない。
【００１９】
（変形例）
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法の変形例を説明する図である。この変形例では、腕部１８をエッチングする代わりに、第２の表面１４に補強膜６０を形成する。例えば、ＳｉＯ２、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｌ等で成膜することで補強膜６０を形成する。補強膜６０によって腕部１８の厚みを大きくして、腕部１８の厚み方向に関する曲げ剛性を高くする。その他の構成及びプロセスは、上記実施の形態で説明した内容が該当する。この変形例でも、腕部１８の厚みを調整し、曲げ剛性を調整することによって駆動方向の固有振動周波数変化させ、離調周波数を調整することができる。
【００２０】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る振動子の製造方法を説明する図である。本実施の形態では、上述したプロセスによって角速度検出振動片１を得る。
【００２１】
振動子の製造方法では、パッケージ３２を用意する。パッケージ３２は、角速度検出振動片１を固定するための底部３４と、底部３４を囲む枠壁部３６と、を含む。パッケージ３２は、その全体を金属で形成してもよいが、主としてセラミックス等の非金属で形成する場合には、枠壁部３６の上端面はメタライズされている。底部３４には、真空引きを行うための通気孔３８が形成されている。パッケージ３２（底部３４）の内面には固定電極４０が形成されている。パッケージ３２（底部３４）の外面には外部端子４２が形成されている。固定電極４０と外部端子４２は図示しない配線で電気的に接続されている。外部端子４２は、ハンダなどによって回路基板の配線パターン（図示せず）に実装される。パッケージ３２の枠壁部３６には、ロウ接合によってリング４４を固定しておく。
【００２２】
そして、角速度検出振動片１をパッケージ３２の内部に収容する。角速度検出振動片１は、第２の表面１４を底部３４に向けて、上部電極膜２６が固定電極４０に対向するように配置する。角速度検出振動片１は、腕部１８が基部１６から枠壁部３６に向かって延びるように固定する。基部１６を底部３４に固定して、腕部１８をパッケージ３２から浮かす。底部３４は、腕部１８の先端部と対向する領域が低くなっており、腕部１８が曲がっても底部３４に接触し難いようになっている。
【００２３】
パッケージ３２と角速度検出振動片１の固定は接合部材４６によって図る。接合部材４６は、導電性樹脂材料やハンダ等の金属材料であってもよい。金属材料は加熱してもガスが出ないので好ましい。接合部材４６は、基部１６とパッケージ３２を接合し、腕部１８をパッケージ３２から浮いた状態に保持する。接合部材４６は、基部１６にある上部電極膜２６と固定電極４０を電気的及び機械的に接合する。
【００２４】
リング４４には、蓋４８を固定する。蓋４８は、角速度検出振動片１が固定されるパッケージ３２とオーバーラップしてパッケージ３２の開口を塞ぐ。蓋４８は、表面及び裏面を貫通する貫通穴５０を有する。貫通穴５０は、円形の開口形状をなしている。蓋４８は、ガラス又は樹脂などの材料からなる光透過性部材５２を含む。光透過性部材５２は、貫通穴５０の内面に密着してなる。
【００２５】
パッケージ３２の開口を蓋４８によって塞いだ後に、パッケージ３２に形成された通気孔３８を介して、蓋４８によって塞がれたパッケージ３２内を真空にし、その後、ロウ材５４で通気孔３８を塞ぐ。
【００２６】
振動子の製造方法は、腕部１８の先端部にある錘金属膜２８の一部を除去する工程をさらに含む。この工程は、パッケージ３２の開口を蓋４８によって塞いだ後（例えばさらに真空引き工程後）に行う。この工程は、光透過性部材５２を通して、錘金属膜２８に対してレーザービームを照射して行う。こうすることで、錘金属膜２８を軽くすることができる。錘金属膜２８が形成された腕部１８の先端部の重さが重いほど腕部１８の固有振動周波数が低くなり、軽いほど腕部１８の固有振動周波数が高くなる。これを利用して周波数調整を行うことができる。上述した腕部１８のエッチングによる固有振動周波数調整を粗調といい、錘金属膜２８のトリミングによる固有振動周波数調整を微調ということができる。ここで、錘金属膜２８が形成されている第２の表面１４を下向きにして、図示しない引出し電極を介して、角速度検出振動片１を接合部材４６に接続しても良い。そうすれば、錘金属膜２８を除去する際に、除去された金属がパッケージ３２の底部３４に付着し、角速度検出振動片１に付着することを防ぐことができる。
【００２７】
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の動作を説明する断面図である。本実施の形態により製造される角速度検出振動子は、上記プロセスから自明な構成を含む。
【００２８】
駆動用圧電積層体７０の下部電極膜２２と上部電極膜２６の間に交流電圧を印加すると、圧電膜２４が圧縮・伸張する。圧電膜２４が伸びて腕部１８が屈曲して腕部１８が移動するときに、腕部１８の延びる方向（腕部１８が動く方向と直交する方向）を軸に角速度ωの回転が生じると、腕部１８の速度ｖで動く箇所にはコリオリ力Ｆｃが働く。腕部１８は、駆動力とコリオリ力Ｆｃの合成力によって屈曲する。圧電膜２４が縮んで腕部１８のある箇所が速度−ｖで屈曲するときに、角速度ωの回転が加えられると、そのある箇所にはコリオリ力−Ｆｃが働く。腕部１８は、駆動力とコリオリ力−Ｆｃの合成力によって屈曲する。圧電膜２４が圧縮・伸張を繰り返すと、図５に示すように、腕部１８は、腕部１８の長さに直交する断面が楕円運動するように屈曲振動する。
【００２９】
腕部１８が屈曲振動すると、検出用圧電積層体８０には、圧電膜８４の圧電効果によって、下部電極膜８２及び上部電極膜８６の間に交流電圧が生じる。駆動用圧電積層体７０に印加する交流電圧と、検出用圧電積層体８０で生じる交流電圧に位相差があれば、腕部１８の屈曲にコリオリ力Ｆｃの成分が含まれていることになる。
【００３０】
図６は、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の制御回路を模式的に示すブロック図である。角速度検出振動子は制御回路１００を含む。
【００３１】
制御回路１００は、駆動回路１１０と、検出回路１２０とを備えている。駆動回路１１０は、駆動用圧電積層体７０を励振するための回路である。駆動用圧電積層体７０の上部電極膜２６及び下部電極膜２２の一方は増幅回路１１１の入力に接続され、増幅回路１１１の出力は発振回路１１２の入力に接続され、発振回路１１２の出力は駆動用圧電積層体７０の上部電極膜２６及び下部電極膜２２の他方に接続される。圧電膜２４は、上部電極膜２６及び下部電極膜２２に挟まれ、圧電および逆圧電効果によって圧縮・伸張を繰り返す。また、増幅回路１１１の出力（駆動信号Ａ）は、分岐して検出回路１２０の移相回路１２６に入力される。
【００３２】
検出回路１２０は、駆動信号Ａの位相をずらした基準信号Ｂで検出用圧電積層体８０の出力信号を位相検波して出力する回路である。一方の検出用圧電積層体８０において、上部電極膜８６及び下部電極膜８２の一方は接地され、他方は増幅回路１２４に接続され、増幅回路１２４の出力（第１の検出信号Ｃ）は差動増幅器１２７に入力される。同様に、他方の検出用圧電積層体８０において、上部電極膜８６及び下部電極膜８２の一方は接地され、他方は増幅回路１２５に接続され、増幅回路１２５の出力（第２の検出信号Ｄ）は差動増幅器１２７に入力される。
【００３３】
差動増幅回路１２７は、第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄとの差に応じた差動検出信号Ｅを出力するので、第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄに共通する成分を除去できる。
【００３４】
第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄに共通する成分は、ノイズの他に、角速度検出振動片の駆動振動に対応する信号がある。角速度ωが０の時、即ちコリオリ力Ｆｃが働かない場合は、検出用圧電積層体８０は、角速度検出振動片の駆動振動によって同時に圧縮・伸張を繰り返す。そのため、第１の検出信号Ｃの駆動振動に対応する信号と第２の検出信号Ｄの駆動振動に対応する信号は共通する。
【００３５】
移相回路１２６は、駆動信号Ａの位相をπ／２進ませた基準信号Ｂを出力する。移相検波回路１２８は、差動検出信号Ｅを基準信号Ｂで位相検波した位相検波信号Ｆを出力する。位相検波は、例えば、乗算回路によって行う。ローパスフィルタ１２９は、位相検波信号Ｆを平滑化した平滑信号を、信号調整回路１３１に入力する。信号調整回路１３１は、図示しない０点調整回路を含み、角速度ωが０の場合の出力が所望の値になるオフセット処理をして、検出回路１２０の出力端子に出力する。
【００３６】
図７は、図６に示す信号Ａ〜Ｆのタイミングチャートである。第１の検出信号Ｃは、駆動振動に起因する成分と、駆動信号Ａに対して位相がπ／２進んだコリオリ力に起因した成分とが合成されている。第２の検出信号Ｄは、駆動振動に起因する成分と、駆動振動Ａに対して位相がπ／２遅れたコリオリ力に起因した成分とが合成されている。差動検出信号Ｅは、第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄとの差である。したがって、駆動信号Ａに対して位相がπ／２進んだコリオリ力に起因した成分が増幅され、さらに、駆動振動に起因する成分やノイズ成分など、第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄとに共通する信号成分がキャンセルされる。位相検波信号Ｆは、駆動信号Ａの位相をπ／２進ませた基準信号Ｂと、駆動信号Ａよりπ／２位相が進んだ差動検出信号Ｅとを乗算した信号である。即ち、駆動信号Ａよりπ／２位相が進んだコリオリ力起因の信号が同期検波されている。
【００３７】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。図９は、図８に示す角速度検出振動片のIX−IX線断面図である。本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した方法を適用して角速度検出振動片を製造する。
【００３８】
角速度検出振動片は、一対の腕部２１８を有する。それぞれの腕部２１８に駆動用圧電積層体２７０が形成されている。一方の腕部２１８の駆動用圧電積層体２７０の上部電極膜２２６と、他方の腕部２１８の駆動用圧電積層体２７０の下部電極膜２２２が電気的に接続されている。そのため、一方の腕部２１８の駆動用圧電積層体２７０の圧電膜２２４と、他方の腕部２１８の駆動用圧電積層体２７０の圧電膜２２４とは、圧縮・伸張が逆になる。そして、一方の腕部２１８が速度ｖで屈曲すると、他方の腕部２１８は速度−ｖで屈曲する。
【００３９】
一方の腕部２１８には、駆動用圧電積層体２７０を挟むように検出用圧電積層体２８０が形成されているが、他方の腕部２１８には、検出用圧電積層体２８０がない。検出用圧電積層体２８０のない腕部２１８はバランサとして機能する。
【００４０】
角速度検出振動片を駆動して、一対の腕部２１８を屈曲振動させているときに、角速度ωの回転が加えられると、一対の腕部２１８は、屈曲方向が逆であることから、反対方向のコリオリ力Ｆｃ，−Ｆｃが生じる。そのため、一対の腕部２１８は、接近・離間を繰り返すように運動する。
【００４１】
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。図１１は、図１０に示す角速度検出振動片のＸ−Ｘ線断面図である。本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した方法を適用して角速度検出振動片を製造する。
【００４２】
角速度検出振動片は、第１及び第２の腕部３１０，３２０を有する。第１の腕部３１０に駆動用圧電積層体３７０が形成され、第２の腕部３２０に一対の検出用圧電積層体３８０が形成されている。
【００４３】
第１の腕部３１０が速度ｖで屈曲すると、その反力で、第２の腕部３２０は、駆動用圧電積層体３７０がなくても第１の腕部３１０とは反対方向に速度−ｖで屈曲する。
【００４４】
角速度検出振動片を駆動して、第１及び第２の腕部３１０，３２０を屈曲振動させているときに、角速度ωの回転が加えられると、第１及び第２の腕部３１０，３２０は、屈曲方向が逆であることから、反対方向のコリオリ力Ｆｃ，−Ｆｃが生じる。そのため、第１及び第２の腕部３１０，３２０は、接近・離間を繰り返すように運動する。
【００４５】
（第４の実施の形態）
図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。図１３は、図１２に示す角速度検出振動片のXIII−XIII線断面図である。図１４は、図１２に示す角速度検出振動片のXIV−XIV線断面図である。本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した方法を適用して角速度検出振動片を製造する。
【００４６】
角速度検出振動片は、第１、第２、第３及び第４の腕部４１０，４２０，４３０，４４０を有し、Ｈ形状をなしている。第１及び第２の腕部４１０，４２０が並んで配置され、第３及び第４の腕部４３０，４４０が並んで配置されている。第１及び第４の腕部４１０，４４０が基部から反対方向に延び、第２及び第３の腕部４２０，４３０が基部４１６から反対方向に延びている。
【００４７】
第１及び第２の腕部４１０，４２０に駆動用圧電積層体４７０が形成されている。第１及び第２の腕部４１０，４２０の駆動用圧電積層体４７０において、一方の上部電極膜４２６と他方の下部電極膜４２２が電気的に接続されている。そのため、第１の腕部４１０の駆動用圧電積層体４７０の圧電膜４２４と、第２の腕部４２０の駆動用圧電積層体４７０の圧電膜４２４とは、圧縮・伸張が逆になる。そして、第１の腕部４１０が速度ｖで屈曲すると、第２の腕部４２０は速度−ｖで屈曲する。
【００４８】
第３の腕部４３０には、検出用圧電積層体４８０が形成されている。第４の腕部４４０には、駆動用圧電積層体４７０及び検出用圧電積層体４８０のいずれも形成されていない。
【００４９】
角速度検出振動片を駆動して、第１及び第２の腕部４１０，４２０を屈曲振動させているときに、角速度ωの回転が加えられると、第１及び第２の腕部４１０，４２０は、屈曲方向が逆であることから、反対方向のコリオリ力Ｆｃ，−Ｆｃが生じる。そのため、第１及び第２の腕部４１０，４２０は、接近・離間を繰り返すように運動する。第３及び第４の腕部４３０，４４０は、第１及び第２の腕部４１０，４２０の接近・離間運動の反力で、その反対方向に、接近・離間を繰り返すように運動する。
【００５０】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法の変形例を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の動作を説明する断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の制御回路を模式的に示すブロック図である。
【図７】図６に示す信号Ａ〜Ｆのタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。
【図９】図８に示す角速度検出振動片のIX−IX線断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。
【図１１】図１０に示す角速度検出振動片のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。
【図１３】図１２に示す角速度検出振動片のXIII−XIII線断面図である。
【図１４】図１２に示す角速度検出振動片のXIV−XIV線断面図である。
【図１５】腕部の曲げモーメントとたわみを表わす図である。
【図１６】断面２次モーメントを説明する図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…角速度検出振動片、 １０…支持体、 １２…第１の表面、 １４…第２の表面、 １６…基部、 １８…腕部、 ２２…下部電極膜、 ２４…圧電膜、 ２６…上部電極膜、 ２８…錘金属膜、 ３０…露出領域、 ３２…パッケージ、 ３４…底部、 ３６…枠壁部、 ３８…通気孔、 ４０…固定電極、 ４２…外部端子、 ４４…リング、 ４６…接合部材、 ４８…蓋、 ５０…貫通穴、 ５２…光透過性部材、 ５４…ロウ材、 ６０…補強膜、 ７０…駆動用圧電積層体、 ８０…検出用圧電積層体、 ８２…下部電極膜、 ８４…圧電膜、 ８６…上部電極膜、 １００…制御回路、 １１０…駆動回路、 １１１…増幅回路、 １１２…発振回路、 １２０…検出回路、 １２４…増幅回路、 １２５…増幅回路、 １２６…移相回路、 １２７…差動増幅器、 １２８…移相検波回路、 １２９…ローパスフィルタ、 １３１…信号調整回路、 ２１８…腕部、 ２７０…駆動用圧電積層体、 ２８０…検出用圧電積層体、 ２２２…下部電極膜、 ２２４…圧電膜、 ２２６…上部電極膜、 ３１０…第１の腕部、 ３２０…第２の腕部、 ３７０…駆動用圧電積層体、 ３８０…検出用圧電積層体、 ４１０…第１の腕部、 ４１６…基部、 ４２０…第２の腕部、 ４３０…第３の腕部、 ４４０…第４の腕部、 ４７０…駆動用圧電積層体、 ４８０…検出用圧電積層体、 ４２２…下部電極膜、 ４２４…圧電膜、 ４２６…上部電極膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度検出振動片の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度に応じて振動が変化する性質を利用した角速度検出振動片においては、駆動方向の固有振動周波数と、コリオリ力が働く方向の固有振動周波数との差、即ち、離調周波数を調整する必要がある。なぜなら、離調周波数が低いとノイズが多くなり、離調周波数が高いと検出感度が低下するからである。従来の角速度検出振動片の離調周波数の調整としては、圧電振動片を切削する方法が知られている（特許文献１、２）。しかし、切削は生産効率が低く量産には適さなかった。また別の方法として、角速度検出振動片の錘部や電極膜を除去して離調周波数を調整する方法が知られている（特許文献３）。しかし、この方法を用いると、駆動方向の固有振動周波数とコリオリ力が働く方向の固有振動周波数がともに高くなるように変化してしまう。また、音叉型圧電振動片においては、支持部自体の質量を減らすことで固有振動周波数を調整する方法が知られているが（特許文献４）、この方法を角速度検出振動片に適用しても、駆動方向の固有振動周波数とコリオリ力が働く方向の固有振動周波数がともに高くなるように変化してしまう。このように駆動方向の固有振動周波数とコリオリ力が働く方向の固有振動周波数がとも高くなるように変化する方法では、離調周波数の調整効果が小さいため、調整範囲が狭くなっていた。
【特許文献１】特開平１１−９４５５５号公報
【特許文献２】特開平１０−２５３３６３号公報
【特許文献３】特開２００６−１０５６１４号公報
【特許文献４】特開２００１−２１７６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、離調周波数の調整範囲を拡大することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］本適用例に係る角速度検出振動片の製造方法は、
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部を含む支持体であって、前記腕部の前記第１の表面に、駆動用圧電積層体及び検出用圧電積層体が形成され、前記腕部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域をエッチングする工程を含み、
前記駆動用圧電積層体及び前記検出用圧電積層体のそれぞれは、下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、を含み、
前記エッチングによって前記厚みを減らして、前記腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を低くする。本適用例によれば、腕部の厚みを調整し、曲げ剛性を調整することによって駆動方向の固有振動周波数を選択的に調整することができる。腕部の厚みによる固有振動周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、離調周波数の調整範囲を拡大することができる。
［適用例２］本適用例に係る角速度検出振動片の製造方法において、
前記エッチングを行う前に、前記腕部の前記第２の表面には錘金属膜が形成されており、
前記露出領域をエッチングする工程において、前記錘金属膜の表面もエッチングする。
［適用例３］本適用例に係る角速度検出振動片の製造方法は、
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部を含む支持体であって、前記腕部の前記第１の表面に、駆動用圧電積層体及び検出用圧電積層体が形成され、前記腕部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域に補強金属膜を形成する工程を含み、
前記駆動用圧電積層体及び前記検出用圧電積層体のそれぞれは、下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、を含み、
前記補強金属膜によって、前記腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を高くする。本適用例によれば、腕部の厚みを調整し、曲げ剛性を調整することによって駆動方向の固有振動周波数を選択的に調整することができる。また、腕部の厚みによる固有振動周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、離調周波数の調整範囲を拡大することができる。
［適用例４］本適用例に係る振動片の製造方法において、
前記支持体は、圧電材料から構成されてなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法を説明する図である。図２(Ａ)は、図１に示す角速度検出振動片のIIA−IIA線断面図であり、図２(Ｂ)は、図１に示す角速度検出振動片のIIB−IIB線断面図である。
【０００６】
本実施の形態では、支持体１０を用意する。支持体１０は、水晶などの圧電材料（例えば、Ｚカット板、ＡＴカット板、Ｘカット板）から構成してもよいし、シリコンから構成してもよい。支持体１０は、相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面１２，１４を有する。支持体１０は、基部１６及び基部１６から厚み方向に直交して並んで延びる少なくとも１つの腕部１８を含む。基部１６及び腕部１８の形状は、板材をエッチング（ウエットエッチング及びドライエッチングの少なくとも一方）することによって得ることができる。
【０００７】
腕部１８の第１の表面１２には、駆動用圧電積層体７０が形成されている。駆動用圧電積層体７０は、腕部１８の長さに沿って延びており、腕部１８の幅方向の中央に位置している。駆動用圧電積層体７０は、下部電極膜２２と、下部電極膜２２上に形成された圧電膜２４と、圧電膜２４上に形成された上部電極膜２６と、を含む。下部電極膜２２及び上部電極膜２６の間に電圧を印加すると、電界の方向によって圧電膜２４が圧縮・伸張し、第１の表面１２がこれに従うので腕部１８が屈曲する。例えば、圧電膜２４が伸びると腕部１８は第２の表面１４の方向に屈曲し、圧電膜２４が縮むと腕部１８は反対方向（第１の表面１２の方向）に屈曲する。
【０００８】
駆動力が腕部１８に働いて、腕部１８が動くときに、腕部１８の延びる方向（腕部１８が動く方向と直交する方向）の軸周りに角速度ωの回転が加えられると、腕部１８には、図１に示すコリオリ力Ｆｃ＝ｍｖωが働く（ｍは腕部１８の速度ｖで動く箇所の質量）。これにより、腕部１８は、駆動力とコリオリ力Ｆｃの合成力によって屈曲する。
【０００９】
下部電極膜２２は、基部１６上に至るように形成する（図示せず）。下部電極膜２２の形成は、スパッタリングや蒸着によって導電膜を形成し、その後、導電膜をエッチングによってパターニングするプロセスを含んでもよい。あるいは、パターニングされたマスクを支持体１０に形成してから、支持体１０のマスクに覆われていない領域に導電膜を形成してもよい。圧電膜２４は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどの水晶よりも圧電性の高い材料から形成する。圧電膜２４は、下部電極膜２２の、腕部１８上の部分の全体を覆っている。圧電膜２４の形成には、材料を除いて、下部電極膜２２を形成する技術のほか、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、ゾルゲル法などを適用することができる。上部電極膜２６は、基部１６上に至るように形成する（図示せず）。上部電極膜２６の形成には、下部電極膜２２を形成する技術を適用することができる。
【００１０】
腕部１８の第１の表面１２には、検出用圧電積層体８０が形成されている。検出用圧電積層体８０は、腕部１８の長さに沿って延びており、駆動用圧電積層体７０と並んで配置されている。図１の例では、検出用圧電積層体８０は、駆動用圧電積層体７０を挟む両側（腕部１８の幅方向の端部）に配置されている。検出用圧電積層体８０は、下部電極膜８２と、下部電極膜８２上に形成された圧電膜８４と、圧電膜８４上に形成された上部電極膜８６と、を含む。腕部１８の屈曲に伴って圧電膜８４が圧縮・伸張すると、その圧電効果によって、下部電極膜８２及び上部電極膜８６の間に電圧が生じる。下部電極膜８２、上部電極膜８６及び圧電膜８４の材料、形状、配置及び形成方法には、駆動用圧電積層体７０について説明した内容を適用することができる。
【００１１】
腕部１８の第２の表面１４には錘金属膜２８が形成されている。錘金属膜２８は、腕部１８の、基部１６とは反対側の先端部に形成する。錘金属膜２８は、第２の表面１４の少なくとも一部が露出領域３０を有するように形成する。第２の表面１４には、錘金属膜２８を除いて、電極膜が形成されていない。
【００１２】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、腕部１８の第２の表面１４の露出領域３０をエッチングする。エッチングには、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６などのプラズマガスを使用したドライエッチングを適用することができる。露出領域３０をエッチングするときに、腕部１８の側面（第１及び第２の表面１２，１４を接続する面）もエッチングされてもよい。ただし、腕部１８の厚み方向のエッチングレートを、腕部１８の幅方向のエッチングレートの２倍より高くする。これは、腕部１８の厚みが減る量を、腕部１８の幅が減る量より大きくして離調周波数の調整効果を確保するためである。また、露出領域３０をエッチングするときに、錘金属膜２８の表面がエッチングされるとしても、錘金属膜２８を残すようにエッチングを止める。錘金属膜２８がマスクになるので、支持体１０（腕部１８）の錘金属膜２８にて覆われた部分は、表面がエッチングされず、錘金属膜２８にて覆われた部分の表面と、エッチングされた部分の表面とで段が形成される。支持体１０の錘金属膜２８にて覆われた部分（腕部１８の先端部）は、エッチングされた部分よりも厚くなっているので錘としての効果がある。
【００１３】
本実施の形態によれば、第２の表面１４の露出領域３０をエッチングするので、腕部１８の厚みが減り、腕部１８を厚み方向に曲がりやすくすることができる。そして、腕部１８の厚みを調整することによって、腕部１８の厚み方向の曲がりやすさを調整し、駆動方向の固有振動周波数を選択的に調整することができる。腕部１８の厚みによる固有周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、離調周波数の調整範囲を拡大することができる。
【００１４】
腕部１８の曲がりにくさ・曲がりやすさの指標として、厚み方向に関する曲げ剛性ＥＩを用いる。図１５に示すように腕部１８（広義には、梁）に曲げモーメントＭ（Ｓは中立面を指す。）が加わった際に、腕部１８が曲率１／ρ（＝ｄθ／ｄｘ）で静的にたわんでいる場合は、
１／ρ＝Ｍ／ＥＩ
の関係を有する。曲げ剛性ＥＩが高いほど曲がりにくい。
【００１５】
なお、Ｅは材料固有のヤング率、Ｉは断面２次モーメントである。
【００１６】
断面２次モーメントＩは、微小断面要素ｄＡに、曲げた際に引張応力が０である中立軸ＡＸからの距離ｙの２乗を、掛けた値の総和であり、式で表わすと次のように定義される。
【００１７】
Ｉ＝∫Ａｙ２ｄＡ
図１６に示すように、中立軸ＡＸに平行な辺の長さ（幅）ｂ、中立軸ＡＸに垂直な辺の長さ（厚み）ｔの長方形の断面を有する腕部１８の断面２次モーメントＩｔは、
Ｉｔ＝ｂｔ３／１２
となる。したがって、厚み方向に関する断面２次モーメントおよび曲げ剛性は、腕部１８の厚みｔの３乗に比例するため、厚みを調整することで、厚み方向の曲がりやすさを大きく制御することができる。
【００１８】
なお、腕部の厚み方向の固有振動周波数Ｆ、腕部１８の長さＬ、腕部１８の厚み（振動する方向の厚み）ｔは、
Ｆ＝ｋ・ｔ／Ｌ２（ｋ：比例定数）
の関係を有する。腕部１８の幅の変化は、厚み方向の固有振動周波数に影響しない。
【００１９】
（変形例）
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法の変形例を説明する図である。この変形例では、腕部１８をエッチングする代わりに、第２の表面１４に補強膜６０を形成する。例えば、ＳｉＯ２、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｌ等で成膜することで補強膜６０を形成する。補強膜６０によって腕部１８の厚みを大きくして、腕部１８の厚み方向に関する曲げ剛性を高くする。その他の構成及びプロセスは、上記実施の形態で説明した内容が該当する。この変形例でも、腕部１８の厚みを調整し、曲げ剛性を調整することによって駆動方向の固有振動周波数変化させ、離調周波数を調整することができる。
【００２０】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る振動子の製造方法を説明する図である。本実施の形態では、上述したプロセスによって角速度検出振動片１を得る。
【００２１】
振動子の製造方法では、パッケージ３２を用意する。パッケージ３２は、角速度検出振動片１を固定するための底部３４と、底部３４を囲む枠壁部３６と、を含む。パッケージ３２は、その全体を金属で形成してもよいが、主としてセラミックス等の非金属で形成する場合には、枠壁部３６の上端面はメタライズされている。底部３４には、真空引きを行うための通気孔３８が形成されている。パッケージ３２（底部３４）の内面には固定電極４０が形成されている。パッケージ３２（底部３４）の外面には外部端子４２が形成されている。固定電極４０と外部端子４２は図示しない配線で電気的に接続されている。外部端子４２は、ハンダなどによって回路基板の配線パターン（図示せず）に実装される。パッケージ３２の枠壁部３６には、ロウ接合によってリング４４を固定しておく。
【００２２】
そして、角速度検出振動片１をパッケージ３２の内部に収容する。角速度検出振動片１は、第２の表面１４を底部３４に向けて、上部電極膜２６が固定電極４０に対向するように配置する。角速度検出振動片１は、腕部１８が基部１６から枠壁部３６に向かって延びるように固定する。基部１６を底部３４に固定して、腕部１８をパッケージ３２から浮かす。底部３４は、腕部１８の先端部と対向する領域が低くなっており、腕部１８が曲がっても底部３４に接触し難いようになっている。
【００２３】
パッケージ３２と角速度検出振動片１の固定は接合部材４６によって図る。接合部材４６は、導電性樹脂材料やハンダ等の金属材料であってもよい。金属材料は加熱してもガスが出ないので好ましい。接合部材４６は、基部１６とパッケージ３２を接合し、腕部１８をパッケージ３２から浮いた状態に保持する。接合部材４６は、基部１６にある上部電極膜２６と固定電極４０を電気的及び機械的に接合する。
【００２４】
リング４４には、蓋４８を固定する。蓋４８は、角速度検出振動片１が固定されるパッケージ３２とオーバーラップしてパッケージ３２の開口を塞ぐ。蓋４８は、表面及び裏面を貫通する貫通穴５０を有する。貫通穴５０は、円形の開口形状をなしている。蓋４８は、ガラス又は樹脂などの材料からなる光透過性部材５２を含む。光透過性部材５２は、貫通穴５０の内面に密着してなる。
【００２５】
パッケージ３２の開口を蓋４８によって塞いだ後に、パッケージ３２に形成された通気孔３８を介して、蓋４８によって塞がれたパッケージ３２内を真空にし、その後、ロウ材５４で通気孔３８を塞ぐ。
【００２６】
振動子の製造方法は、腕部１８の先端部にある錘金属膜２８の一部を除去する工程をさらに含む。この工程は、パッケージ３２の開口を蓋４８によって塞いだ後（例えばさらに真空引き工程後）に行う。この工程は、光透過性部材５２を通して、錘金属膜２８に対してレーザービームを照射して行う。こうすることで、錘金属膜２８を軽くすることができる。錘金属膜２８が形成された腕部１８の先端部の重さが重いほど腕部１８の固有振動周波数が低くなり、軽いほど腕部１８の固有振動周波数が高くなる。これを利用して周波数調整を行うことができる。上述した腕部１８のエッチングによる固有振動周波数調整を粗調といい、錘金属膜２８のトリミングによる固有振動周波数調整を微調ということができる。ここで、錘金属膜２８が形成されている第２の表面１４を下向きにして、図示しない引出し電極を介して、角速度検出振動片１を接合部材４６に接続しても良い。そうすれば、錘金属膜２８を除去する際に、除去された金属がパッケージ３２の底部３４に付着し、角速度検出振動片１に付着することを防ぐことができる。
【００２７】
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の動作を説明する断面図である。本実施の形態により製造される角速度検出振動子は、上記プロセスから自明な構成を含む。
【００２８】
駆動用圧電積層体７０の下部電極膜２２と上部電極膜２６の間に交流電圧を印加すると、圧電膜２４が圧縮・伸張する。圧電膜２４が伸びて腕部１８が屈曲して腕部１８が移動するときに、腕部１８の延びる方向（腕部１８が動く方向と直交する方向）を軸に角速度ωの回転が生じると、腕部１８の速度ｖで動く箇所にはコリオリ力Ｆｃが働く。腕部１８は、駆動力とコリオリ力Ｆｃの合成力によって屈曲する。圧電膜２４が縮んで腕部１８のある箇所が速度−ｖで屈曲するときに、角速度ωの回転が加えられると、そのある箇所にはコリオリ力−Ｆｃが働く。腕部１８は、駆動力とコリオリ力−Ｆｃの合成力によって屈曲する。圧電膜２４が圧縮・伸張を繰り返すと、図５に示すように、腕部１８は、腕部１８の長さに直交する断面が楕円運動するように屈曲振動する。
【００２９】
腕部１８が屈曲振動すると、検出用圧電積層体８０には、圧電膜８４の圧電効果によって、下部電極膜８２及び上部電極膜８６の間に交流電圧が生じる。駆動用圧電積層体７０に印加する交流電圧と、検出用圧電積層体８０で生じる交流電圧に位相差があれば、腕部１８の屈曲にコリオリ力Ｆｃの成分が含まれていることになる。
【００３０】
図６は、本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の制御回路を模式的に示すブロック図である。角速度検出振動子は制御回路１００を含む。
【００３１】
制御回路１００は、駆動回路１１０と、検出回路１２０とを備えている。駆動回路１１０は、駆動用圧電積層体７０を励振するための回路である。駆動用圧電積層体７０の上部電極膜２６及び下部電極膜２２の一方は増幅回路１１１の入力に接続され、増幅回路１１１の出力は発振回路１１２の入力に接続され、発振回路１１２の出力は駆動用圧電積層体７０の上部電極膜２６及び下部電極膜２２の他方に接続される。圧電膜２４は、上部電極膜２６及び下部電極膜２２に挟まれ、圧電および逆圧電効果によって圧縮・伸張を繰り返す。また、増幅回路１１１の出力（駆動信号Ａ）は、分岐して検出回路１２０の移相回路１２６に入力される。
【００３２】
検出回路１２０は、駆動信号Ａの位相をずらした基準信号Ｂで検出用圧電積層体８０の出力信号を位相検波して出力する回路である。一方の検出用圧電積層体８０において、上部電極膜８６及び下部電極膜８２の一方は接地され、他方は増幅回路１２４に接続され、増幅回路１２４の出力（第１の検出信号Ｃ）は差動増幅器１２７に入力される。同様に、他方の検出用圧電積層体８０において、上部電極膜８６及び下部電極膜８２の一方は接地され、他方は増幅回路１２５に接続され、増幅回路１２５の出力（第２の検出信号Ｄ）は差動増幅器１２７に入力される。
【００３３】
差動増幅回路１２７は、第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄとの差に応じた差動検出信号Ｅを出力するので、第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄに共通する成分を除去できる。
【００３４】
第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄに共通する成分は、ノイズの他に、角速度検出振動片の駆動振動に対応する信号がある。角速度ωが０の時、即ちコリオリ力Ｆｃが働かない場合は、検出用圧電積層体８０は、角速度検出振動片の駆動振動によって同時に圧縮・伸張を繰り返す。そのため、第１の検出信号Ｃの駆動振動に対応する信号と第２の検出信号Ｄの駆動振動に対応する信号は共通する。
【００３５】
移相回路１２６は、駆動信号Ａの位相をπ／２進ませた基準信号Ｂを出力する。移相検波回路１２８は、差動検出信号Ｅを基準信号Ｂで位相検波した位相検波信号Ｆを出力する。位相検波は、例えば、乗算回路によって行う。ローパスフィルタ１２９は、位相検波信号Ｆを平滑化した平滑信号を、信号調整回路１３１に入力する。信号調整回路１３１は、図示しない０点調整回路を含み、角速度ωが０の場合の出力が所望の値になるオフセット処理をして、検出回路１２０の出力端子に出力する。
【００３６】
図７は、図６に示す信号Ａ〜Ｆのタイミングチャートである。第１の検出信号Ｃは、駆動振動に起因する成分と、駆動信号Ａに対して位相がπ／２進んだコリオリ力に起因した成分とが合成されている。第２の検出信号Ｄは、駆動振動に起因する成分と、駆動振動Ａに対して位相がπ／２遅れたコリオリ力に起因した成分とが合成されている。差動検出信号Ｅは、第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄとの差である。したがって、駆動信号Ａに対して位相がπ／２進んだコリオリ力に起因した成分が増幅され、さらに、駆動振動に起因する成分やノイズ成分など、第１の検出信号Ｃと第２の検出信号Ｄとに共通する信号成分がキャンセルされる。位相検波信号Ｆは、駆動信号Ａの位相をπ／２進ませた基準信号Ｂと、駆動信号Ａよりπ／２位相が進んだ差動検出信号Ｅとを乗算した信号である。即ち、駆動信号Ａよりπ／２位相が進んだコリオリ力起因の信号が同期検波されている。
【００３７】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。図９は、図８に示す角速度検出振動片のIX−IX線断面図である。本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した方法を適用して角速度検出振動片を製造する。
【００３８】
角速度検出振動片は、一対の腕部２１８を有する。それぞれの腕部２１８に駆動用圧電積層体２７０が形成されている。一方の腕部２１８の駆動用圧電積層体２７０の上部電極膜２２６と、他方の腕部２１８の駆動用圧電積層体２７０の下部電極膜２２２が電気的に接続されている。そのため、一方の腕部２１８の駆動用圧電積層体２７０の圧電膜２２４と、他方の腕部２１８の駆動用圧電積層体２７０の圧電膜２２４とは、圧縮・伸張が逆になる。そして、一方の腕部２１８が速度ｖで屈曲すると、他方の腕部２１８は速度−ｖで屈曲する。
【００３９】
一方の腕部２１８には、駆動用圧電積層体２７０を挟むように検出用圧電積層体２８０が形成されているが、他方の腕部２１８には、検出用圧電積層体２８０がない。検出用圧電積層体２８０のない腕部２１８はバランサとして機能する。
【００４０】
角速度検出振動片を駆動して、一対の腕部２１８を屈曲振動させているときに、角速度ωの回転が加えられると、一対の腕部２１８は、屈曲方向が逆であることから、反対方向のコリオリ力Ｆｃ，−Ｆｃが生じる。そのため、一対の腕部２１８は、接近・離間を繰り返すように運動する。
【００４１】
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。図１１は、図１０に示す角速度検出振動片のＸ−Ｘ線断面図である。本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した方法を適用して角速度検出振動片を製造する。
【００４２】
角速度検出振動片は、第１及び第２の腕部３１０，３２０を有する。第１の腕部３１０に駆動用圧電積層体３７０が形成され、第２の腕部３２０に一対の検出用圧電積層体３８０が形成されている。
【００４３】
第１の腕部３１０が速度ｖで屈曲すると、その反力で、第２の腕部３２０は、駆動用圧電積層体３７０がなくても第１の腕部３１０とは反対方向に速度−ｖで屈曲する。
【００４４】
角速度検出振動片を駆動して、第１及び第２の腕部３１０，３２０を屈曲振動させているときに、角速度ωの回転が加えられると、第１及び第２の腕部３１０，３２０は、屈曲方向が逆であることから、反対方向のコリオリ力Ｆｃ，−Ｆｃが生じる。そのため、第１及び第２の腕部３１０，３２０は、接近・離間を繰り返すように運動する。
【００４５】
（第４の実施の形態）
図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。図１３は、図１２に示す角速度検出振動片のXIII−XIII線断面図である。図１４は、図１２に示す角速度検出振動片のXIV−XIV線断面図である。本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した方法を適用して角速度検出振動片を製造する。
【００４６】
角速度検出振動片は、第１、第２、第３及び第４の腕部４１０，４２０，４３０，４４０を有し、Ｈ形状をなしている。第１及び第２の腕部４１０，４２０が並んで配置され、第３及び第４の腕部４３０，４４０が並んで配置されている。第１及び第４の腕部４１０，４４０が基部から反対方向に延び、第２及び第３の腕部４２０，４３０が基部４１６から反対方向に延びている。
【００４７】
第１及び第２の腕部４１０，４２０に駆動用圧電積層体４７０が形成されている。第１及び第２の腕部４１０，４２０の駆動用圧電積層体４７０において、一方の上部電極膜４２６と他方の下部電極膜４２２が電気的に接続されている。そのため、第１の腕部４１０の駆動用圧電積層体４７０の圧電膜４２４と、第２の腕部４２０の駆動用圧電積層体４７０の圧電膜４２４とは、圧縮・伸張が逆になる。そして、第１の腕部４１０が速度ｖで屈曲すると、第２の腕部４２０は速度−ｖで屈曲する。
【００４８】
第３の腕部４３０には、検出用圧電積層体４８０が形成されている。第４の腕部４４０には、駆動用圧電積層体４７０及び検出用圧電積層体４８０のいずれも形成されていない。
【００４９】
角速度検出振動片を駆動して、第１及び第２の腕部４１０，４２０を屈曲振動させているときに、角速度ωの回転が加えられると、第１及び第２の腕部４１０，４２０は、屈曲方向が逆であることから、反対方向のコリオリ力Ｆｃ，−Ｆｃが生じる。そのため、第１及び第２の腕部４１０，４２０は、接近・離間を繰り返すように運動する。第３及び第４の腕部４３０，４４０は、第１及び第２の腕部４１０，４２０の接近・離間運動の反力で、その反対方向に、接近・離間を繰り返すように運動する。
【００５０】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動片の製造方法の変形例を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の動作を説明する断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出振動子の制御回路を模式的に示すブロック図である。
【図７】図６に示す信号Ａ〜Ｆのタイミングチャートである。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。
【図９】図８に示す角速度検出振動片のIX−IX線断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。
【図１１】図１０に示す角速度検出振動片のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る角速度検出振動片を説明する図である。
【図１３】図１２に示す角速度検出振動片のXIII−XIII線断面図である。
【図１４】図１２に示す角速度検出振動片のXIV−XIV線断面図である。
【図１５】腕部の曲げモーメントとたわみを表わす図である。
【図１６】断面２次モーメントを説明する図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…角速度検出振動片、 １０…支持体、 １２…第１の表面、 １４…第２の表面、 １６…基部、 １８…腕部、 ２２…下部電極膜、 ２４…圧電膜、 ２６…上部電極膜、 ２８…錘金属膜、 ３０…露出領域、 ３２…パッケージ、 ３４…底部、 ３６…枠壁部、 ３８…通気孔、 ４０…固定電極、 ４２…外部端子、 ４４…リング、 ４６…接合部材、 ４８…蓋、 ５０…貫通穴、 ５２…光透過性部材、 ５４…ロウ材、 ６０…補強膜、 ７０…駆動用圧電積層体、 ８０…検出用圧電積層体、 ８２…下部電極膜、 ８４…圧電膜、 ８６…上部電極膜、 １００…制御回路、 １１０…駆動回路、 １１１…増幅回路、 １１２…発振回路、 １２０…検出回路、 １２４…増幅回路、 １２５…増幅回路、 １２６…移相回路、 １２７…差動増幅器、 １２８…移相検波回路、 １２９…ローパスフィルタ、 １３１…信号調整回路、 ２１８…腕部、 ２７０…駆動用圧電積層体、 ２８０…検出用圧電積層体、 ２２２…下部電極膜、 ２２４…圧電膜、 ２２６…上部電極膜、 ３１０…第１の腕部、 ３２０…第２の腕部、 ３７０…駆動用圧電積層体、 ３８０…検出用圧電積層体、 ４１０…第１の腕部、 ４１６…基部、 ４２０…第２の腕部、 ４３０…第３の腕部、 ４４０…第４の腕部、 ４７０…駆動用圧電積層体、 ４８０…検出用圧電積層体、 ４２２…下部電極膜、 ４２４…圧電膜、 ４２６…上部電極膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部を含む支持体であって、前記腕部の前記第１の表面に、駆動用圧電積層体及び検出用圧電積層体が形成され、前記腕部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域をエッチングする工程を含み、
前記駆動用圧電積層体及び前記検出用圧電積層体のそれぞれは、下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、を含み、
前記エッチングによって前記厚みを減らして、前記腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を低くする角速度検出振動片の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された角速度検出振動片の製造方法において、
前記エッチングを行う前に、前記腕部の前記第２の表面には錘金属膜が形成されており、
前記露出領域をエッチングする工程において、前記錘金属膜の表面もエッチングする角速度検出振動片の製造方法。
【請求項３】
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部を含む支持体であって、前記腕部の前記第１の表面に、駆動用圧電積層体及び検出用圧電積層体が形成され、前記腕部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域に補強金属膜を形成する工程を含み、
前記駆動用圧電積層体及び前記検出用圧電積層体のそれぞれは、下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、を含み、
前記補強金属膜によって、前記腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を高くする角速度検出振動片の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された角速度検出振動片の製造方法において、
前記支持体は、圧電材料から構成されてなる角速度検出振動片の製造方法。
【請求項１】
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部を含む支持体であって、前記腕部の前記第１の表面に、駆動用圧電積層体及び検出用圧電積層体が形成され、前記腕部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域をエッチングする工程を含み、
前記駆動用圧電積層体及び前記検出用圧電積層体のそれぞれは、下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、を含み、
前記エッチングによって前記厚みを減らして、前記腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を低くする角速度検出振動片の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された角速度検出振動片の製造方法において、
前記エッチングを行う前に、前記腕部の前記第２の表面には錘金属膜が形成されており、
前記露出領域をエッチングする工程において、前記錘金属膜の表面もエッチングする角速度検出振動片の製造方法。
【請求項３】
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に交差する方向に延びる少なくとも１つの腕部を含む支持体であって、前記腕部の前記第１の表面に、駆動用圧電積層体及び検出用圧電積層体が形成され、前記腕部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域に補強金属膜を形成する工程を含み、
前記駆動用圧電積層体及び前記検出用圧電積層体のそれぞれは、下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、を含み、
前記補強金属膜によって、前記腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を高くする角速度検出振動片の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された角速度検出振動片の製造方法において、
前記支持体は、圧電材料から構成されてなる角速度検出振動片の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−２３６８８５（Ｐ２００９−２３６８８５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８６９４２（Ｐ２００８−８６９４２）
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
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