３軸検出角速度センサ
【課題】本発明は、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出することが出来る３軸検出角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】この目的を達成するために、本発明の３軸検出角速度センサは、Ｙ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子２０と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子７０とを設けたため、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出することができる。
【解決手段】この目的を達成するために、本発明の３軸検出角速度センサは、Ｙ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子２０と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子７０とを設けたため、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される３軸検出角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の角速度センサ素子は図８に示すような構成となっていた。
【０００３】
図８において、１は水晶からなる正方形状の固定部で、この固定部１はＸ軸方向に向かって延出される第１の延出腕２と第２の延出腕３を設けている。４は水晶製の第１の検出振動体で、この第１の検出振動体４は一端が前記固定部１に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第１の検出振動体４の４つの外側面にはそれぞれ検出電極５を設けているものである。そして、これと同様に、前記固定部１からは前記第１の検出振動体４を延出した方向と反対側のＹ軸方向に第２の検出振動体６を設けており、かつこの第２の検出振動体６の４つの外側面にもそれぞれ検出電極５を設けているものである。
【０００４】
７は水晶製の第１の駆動振動体で、この第１の駆動振動体７は一端が前記第１の延出腕２に接続され、かつ他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第１の駆動振動体７の４つの外側面にはそれぞれ駆動電極８を設けているものである。９は水晶製の第２の駆動振動体で、この第２の駆動振動体９は一端が前記第１の延出腕２に接続されるとともに、他端が前記第１の駆動振動体７を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第２の駆動振動体９の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。１０は水晶製の第３の駆動振動体で、この第３の駆動振動体１０は一端が第２の延出腕３に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第３の駆動振動体１０の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。１１は水晶製の第４の駆動振動体で、この第４の駆動振動体１１は一端が第２の延出腕３に接続されるとともに、他端が前記第３の駆動振動体１０を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第４の駆動振動体１１の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。
【０００５】
以上のように構成された従来の角速度センサ素子について、次にその動作を説明する。
【０００６】
第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１のそれぞれの駆動電極８に交流電圧を印加することにより、駆動方向に速度Ｖで駆動振動する。そして、この第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１が駆動振動している状態において、角速度センサ素子を設けた平面と垂直な方向であるＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１にＦ＝２ｍｖ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力を第１の延出腕２および第２の延出腕３および固定部１を介して第１の検出振動体４および第２の検出振動体６に伝えることにより、それぞれの検出電極５から角速度に応じた出力信号を出力するものであった。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２６４０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成においては、第１の延出腕２および第２の延出腕３および固定部１を介して第１の検出振動体４および第２の検出振動体６に伝えることにより、それぞれの検出電極５から角速度に応じた出力信号を出力しているため、Ｚ軸周りの１軸方向の角速度のみしか検出できないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出することが出来る３軸検出角速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、上面に少なくとも１つのＹ軸検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部の他端と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続させるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つのＺ軸検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とにより構成されたＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と、このＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とからなるもので、この構成によれば、Ｙ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とを設けたため、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出することが出来るという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の３軸検出角速度センサは、上面に少なくとも１つのＹ軸検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部の他端と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続させるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つのＺ軸検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とにより構成されたＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と、このＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とからなるもので、この構成によれば、Ｙ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とを設けたため、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出する３軸検出角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの上面図
【図２】同３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子の上面図
【図３】同３軸検出角速度センサにおける音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子の模式図
【図４】同３軸検出角速度センサにおける音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子における第１のアームの側断面図
【図５】本発明の一実施の形態の３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子の組立工程図
【図６】本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子の分極状態を示す模式図
【図７】本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子の分極状態を示す模式図
【図８】従来の角速度センサ素子の上面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの上面図、図２は同３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子の上面図、図３は同３軸検出角速度センサにおける音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子の模式図、図４は同３軸検出角速度センサの音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子における第１のアームの側断面図である。
【００１７】
図１〜図３において、２０はＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子である。２１はＳｉからなる第１の固定部で、この第１の固定部２１の上面には一対の駆動電極ランド２２、１つのＹ方向検出電極ランド２３、４つのＺ方向検出電極ランド２４、ＧＮＤ電極ランド２５およびモニター電極ランド２６を設けている。２７はＳｉからなる第１のＹ軸検出振動体で、この第１のＹ軸検出振動体２７は一端を第１の固定部２１の一端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けており、このＹ軸検出圧電電極２８はＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３１はＳｉからなる第２のＹ軸検出振動体で、この第２のＹ軸検出振動体３１は一端を第１の固定部２１の他端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。３２は捩れ延出部で、この捩れ延出部３２は前記第１のＹ軸検出振動体２７の他端と、第２のＹ軸検出振動体３１の他端とを連接している。３３は第１の駆動振動体で、この第１の駆動振動体３３は前記捩れ延出部３２から垂直な方向に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けており、この駆動圧電電極３３ａはＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３４は第１のＺ軸検出振動体で、この第１のＺ軸検出振動体３４は前記第１の駆動振動体３３の他端に、第１の駆動振動体３３の延出方向と垂直な方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。また、前記第１のＺ軸検出振動体３４の上面には、Ｚ軸検出圧電電極３５を設けており、このＺ軸検出圧電電極３５はＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３６は重り部で、この重り部３６は、前記第１のＺ軸検出振動体３４の他端に接続されるとともに、一対の又部３７を設けており、この又部３７の各々を前記第１のＺ軸検出振動体３４の他端の両側に配設するように設けている。３８は第２の駆動振動体で、この第２の駆動振動体３８は捩れ延出部３２から垂直な方向に前記第１の駆動振動体３３と平行に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。３９は第２のＺ軸検出振動体で、この第２のＺ軸検出振動体３９は前記第２の駆動振動体３８の他端に、第２の駆動振動体３８の延出方向と垂直な方向でかつ、前記第１のＺ軸検出振動体３４と反対の方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。４０は重り部で、この重り部４０は前記第２のＺ軸検出振動体３９の他端に接続されている。４１はＳｉからなる第２の固定部で、この第２の固定部４１の上面には一対の駆動電極ランド４２、１つのＹ方向検出電極ランド４３、４つのＺ方向検出電極ランド４４、ＧＮＤ電極ランド４５およびモニター電極ランド４６を設けている。４７はＳｉからなる第３のＹ軸検出振動体で、この第３のＹ軸検出振動体４７は一端を第２の固定部４１の一端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。５１はＳｉからなる第４のＹ軸検出振動体で、この第４のＹ軸検出振動体５１は一端を第２の固定部４１の他端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。そして、第３のＹ軸検出振動体４７の他端と、第４のＹ軸検出振動体５１の他端とは前記捩れ延出部３２に接続されている。５２は第３の駆動振動体で、この第３の駆動振動体５２は前記捩れ延出部３２から前記第２の駆動振動体３８と反対方向でかつ捩れ延出部３２と垂直な方向に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。この駆動圧電電極３３ａはＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。５４は第３のＺ軸検出振動体で、この第３のＺ軸検出振動体５４は前記第３の駆動振動体５２の他端に、第３の駆動振動体５２の延出方向と垂直な方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。また、前記第３のＺ軸検出振動体５４の上面には、Ｚ軸検出圧電電極３５を設けている。５６は重り部で、この重り部５６は、前記第３のＺ軸検出振動体５４の他端に接続されている。５８は第４の駆動振動体で、この第４の駆動振動体５８は捩れ延出部３２から垂直な方向に前記第３の駆動振動体５２と平行に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。５９は第４のＺ軸検出振動体で、この第４のＺ軸検出振動体５９は前記第４の駆動振動体５８の他端に、第４の駆動振動体５８の延出方向と垂直な方向でかつ、前記第３のＺ軸検出振動体５４と反対の方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。６０は重り部で、この重り部６０は前記第４のＺ軸検出振動体５９の他端に接続されている。そして、前記第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８と捩れ延出部３２との接続箇所の近傍の上面には、各々、モニター圧電電極６１を設けている。そしてまた、前記第１の固定部２１における駆動電極ランド２２は、第１の駆動振動体３３および第２の駆動振動体３８における駆動圧電電極３３ａと配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、Ｙ方向検出電極ランド２３は配線パターン６２により、第１のＹ軸検出振動体２７および第２のＹ軸検出振動体３１におけるＹ軸検出圧電電極２８と電気的に接続されている。さらに、第１の固定部２１におけるＺ方向検出電極ランド２４は、第１のＺ軸検出振動体３４および第２のＺ軸検出振動体３９におけるＺ軸検出圧電電極３５と配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、モニター電極ランド２６は、第１の駆動振動体３３および第２の駆動振動体３８におけるモニター圧電電極６１と配線パターン６２により電気的に接続されている。さらに、前記第２の固定部４１における駆動電極ランド４２は、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８における駆動圧電電極３３ａと配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、Ｙ方向検出電極ランド４３は配線パターン６２により、第３のＹ軸検出振動体４７および第４のＹ軸検出振動体５１におけるＹ軸検出圧電電極２８と電気的に接続されている。さらに、第２の固定部４１におけるＺ方向検出電極ランド４４は、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９におけるＺ軸検出圧電電極３５と配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、モニター電極ランド４６は、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８におけるモニター圧電電極６１と配線パターン６２により電気的に接続されている。
【００１８】
７０は音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子である。７１は例えばＳｉ等の非圧電材料からなる振動体で、この振動体７１は、第１のアーム７２および第２のアーム７３と、前記第１のアーム７２の一端と第２のアーム７３の一端を接続する接続部７４とで構成されている。７５は前記振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３の主面の内側に設けられた一対の内側駆動部で、この内側駆動部７５は、図４に示すように、前記振動体７１の主面に設けられた一対のＰｔからなる内側下部電極７６と、この内側下部電極７６の上面に設けられた内側圧電薄膜７７と、この内側圧電薄膜７７の上面に設けられ、かつＴｉまたはＷとＡｕを層状に設けた内側上部電極７８とで構成されている。そして、前記内側圧電薄膜７７はチタン酸鉛膜７９と、このチタン酸鉛膜７９の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜８０とで構成されている。８１は前記振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３における主面の外側に前記内側駆動部７５と距離をおいて並設された一対の外側駆動部で、この外側駆動部８１は、前記内側駆動部７５と同様に、前記振動体７１の主面に設けられた一対のＰｔからなる外側下部電極８２と、この外側下部電極８２の上面に設けられた外側圧電薄膜８３と、この外側圧電薄膜８３の上面に設けられ、かつＴｉまたはＷとＡｕを層状に設けた外側上部電極８４とで構成されている。そして、前記外側圧電薄膜８３はチタン酸鉛膜８５と、このチタン酸鉛膜８５の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜８６とで構成されている。
【００１９】
８７は前記振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３の主面に前記内側駆動部７５と外側駆動部８１との間に位置して設けられた検知部で、この検知部８７は前記振動体７１の主面に設けられた一対のＰｔからなる検知下部電極８８と、この検知下部電極８８の上面に設けられた検知圧電薄膜８９と、この検知圧電薄膜８９の上面に設けられ、かつＴｉまたはＷとＡｕを層状に設けた検知上部電極９０とで構成されている。そして、前記検知圧電薄膜８９はチタン酸鉛膜９１と、このチタン酸鉛膜９１の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜９２とで構成されている。９３はケースで、このケース９３は、前記Ｙ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子２０およびＸ軸検出角速度センサ素子７０を収納するとともに、上面にケース電極９４を設けており、このケース電極９４をＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子２０における一対の駆動電極ランド２２、１つのＹ方向検出電極ランド２３、４つのＺ方向検出電極ランド２４、ＧＮＤ電極ランド２５、モニター電極ランド２６、一対の駆動電極ランド４２、１つのＹ方向検出電極ランド４３、４つのＺ方向検出電極ランド４４、ＧＮＤ電極ランド４５およびモニター電極ランド４６とワイヤー線９５を介して電気的に接続している。
【００２０】
また、同様に、前記Ｘ軸検出用角速度センサ素子７０における接続部７４は、ケース９３におけるケース電極９４とワイヤー線９５を介して電気的に接続されている。
【００２１】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子について、次にその製造方法を説明する。
【００２２】
まず、図５（ａ）に示すように、予め上面に駆動電極ランド２２、４２、Ｙ方向検出電極ランド２３、４３、Ｚ方向検出電極ランド２４、４４、モニター電極ランド２６、４６、ＧＮＤ電極ランド２５、４５、Ｙ軸検出圧電電極２８、駆動圧電電極３３ａ、Ｚ軸検出圧電電極３５、モニター圧電電極６１および配線パターン６２を形成したウェハ６３を準備する。
【００２３】
次に、スピンコートによりウェハ６３の上面に、例えば、アルミ、チタン、酸化シリコン、窒化シリコン等のレジスト膜６４を塗布した後、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーにより、レジスト膜６４を所定形状にパターンニングする。
【００２４】
次に、前記ウェハ６３をドライエッチング装置（図示せず）にセットした後、ＳＦ6あるいはＣＦ6等のフッ素系ガスを導入することにより、図５（ｃ）に示すように、Ｓｉからなるウェハ６３のレジスト膜６４を設けた部分以外をエッチングして溝６５を形成する。
【００２５】
次に、図５（ｄ）に示すように、前記レジスト膜６４の上面に、５０〜２００ミクロンのバックグラインド時にウェハ６３の上面を保護する機能を有する粘着剤層（図示せず）を設けたフィルム６６を貼り、その後、ウェハ６３の上下を逆さまにして、ウェハ６３の上面側に設けたフィルム６６をチャックテーブル（図示せず）に固定する。
【００２６】
次に、図５（ｅ）に示すように、バックグラインドホイール６７を回転させることにより、ウェハ６３の裏面を研削する。
【００２７】
最後に、ＵＶを照射することにより、フィルム６６の粘着力を低減させてレジスト膜６４の上面から前記フィルム６６を剥離した後、前記レジスト膜６４を除去するとともに、前記ウェハ６３から個片の角速度センサ素子を取り出す。
【００２８】
同様に、本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサにおける音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子について、次にその製造方法を説明する。
【００２９】
まず、略厚さ０．２ｍｍの（１１０）面のシリコン（Ｓｉ）ウェハ（図示せず）を準備し、このシリコン（Ｓｉ）ウェハ（図示せず）の上面にＰｔをスパッタリングすることによって略１００Åの厚さとなるように成膜することにより、振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３の上面の内側下部電極７６、外側下部電極８２および検知下部電極８８が設けられる位置に下部電極（図示せず）を形成する。
【００３０】
次に、ＰＺＴ等の圧電薄膜の良好な配向を得るための製造条件の許容範囲を広くすることができるランタンとマグネシウムが添加されたチタン酸鉛膜（図示せず）をスパッタリングすることによって略２００Åの厚さとなるように成膜した後、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をスパッタリングすることによって略２〜３μｍの厚さとなるように成膜することにより、内側圧電薄膜７７、外側圧電薄膜８３および検知圧電薄膜８９が設けられる位置に圧電薄膜（図示せず）を形成する。
【００３１】
次に、ＴｉまたはＷをスパッタリングすることによって略１５Åの厚さとなるように成膜した後、その上面にＡｕの材料をスパッタリングすることによって略２０００Åの厚さとなるように成膜することにより、内側上部電極７８、外側上部電極８４および検知上部電極９０が設けられる位置に上部電極（図示せず）を形成する。
【００３２】
次に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、図３および図４に示すような形状の内側下部電極７６、外側下部電極８２、検知下部電極８８、内側圧電薄膜７７、外側圧電薄膜８３、検知圧電薄膜８９、内側上部電極７８、外側上部電極８４および検知上部電極９０を形成する。
【００３３】
最後に、ダイシング加工することにより、個片のＸ軸検出用角速度センサ素子に分離する。
【００３４】
以上のように組み立てられた本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子について、次に、その動作を説明する。
【００３５】
第１の固定部２１における駆動電極ランド２２および第２の固定部４１における駆動電極ランド４２に交流電圧を印加することにより、配線パターン６２を介して、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８における駆動圧電電極３３ａの分極の方向と同じ方向の場合には引張応力が発生し、一方、反対の方向の場合には、圧縮応力が発生する。そうすると、交流電圧の位相に応じて、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８がＸ軸方向に速度Ｖで駆動振動する。この駆動振動は第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９を介して重り部３６、４０、５６、６０に伝わり、重り部３６、４０、５６、６０がＸ軸方向に速度Ｖで駆動振動する。
【００３６】
ここで、まず、角速度センサ素子にＺ軸方向回りの角速度が発生する場合を考える。
【００３７】
重り部３６、４０、５６、６０がコリオリ力により、Ｙ軸方向に振動駆動する。
【００３８】
そうすると、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９における第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８から垂直な方向に延出された箇所がＹ軸方向に振動駆動する。そして、角速度に応じた電荷がＺ軸検出圧電電極３５に発生する。さらに、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９のＬ字形状に折り曲げられた先端側は、前述のＹ軸方向振動駆動に伴い、Ｘ軸方向に撓み振動する。したがって、この撓み振動により発生する電荷が、Ｚ軸検出圧電電極３５に加算して発生し、Ｚ軸周りの角速度を検出することができるものである。
【００３９】
次に、角速度センサ素子にＹ軸方向回りの角速度が発生する場合を考える。
【００４０】
その場合には、重り部３６、４０、５６、６０がコリオリ力により、Ｚ軸方向に振動駆動する。そうすると、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９と、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８を介して、捩れ延出部３２に捩り力が加わり、第１のＹ軸検出振動体２７、第２のＹ軸検出振動体３１、第３のＹ軸検出振動体４７および第４のＹ軸検出振動体５１がＺ方向に振動駆動する。そして、Ｙ軸検出圧電電極２８に電荷が発生し、Ｙ軸周りの角速度を検出することができるものである。
【００４１】
同様に、本発明の一実施の形態における３軸検出用角速度センサにおけるＸ軸検出用角速度センサ素子について、その動作を図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図６、図７において、９６は分極方向を示す矢印、９７は内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３の伸縮方向を示す矢印である。この図６、図７において、内側下部電極７６と内側上部電極７８との間、および外側下部電極８２と外側上部電極８４との間にＤＣ約２０Ｖを印加すると、内側圧電薄膜７７、外側圧電薄膜８３および検知圧電薄膜８９の分極ベクトルの方向は一方向に揃う。例えば、内側下部電極７６および外側下部電極８２がプラス側に、内側上部電極７８および外側上部電極８４がマイナス側になるようにＤＣ電圧を印加すると、矢印９６に示すような方向に分極ベクトルが向く。このような内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３に対して図６に示すように、内側上部電極７８および外側上部電極８４が内側下部電極７６および外側下部電極８２よりも高電位になるように電圧を印加すると内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３は矢印に示す方向の分極ベクトルと垂直な矢印９７の方向に伸びる。逆に、図７に示すように、内側上部電極７８および外側上部電極８４が内側下部電極７６および外側下部電極８２よりも低電位になるように電圧を印加すると、内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３は矢印９６に示す方向の分極ベクトルと垂直な矢印９８の方向に縮む。
【００４３】
したがって、内側下部電極７６および外側下部電極８２をＧＮＤ電極または仮想ＧＮＤ電極とし、そして内側上部電極７８および外側上部電極８４に交流電圧を印加すると、内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３は、矢印９７、９８に示すように伸び縮みする。
【００４４】
また、図４に示す内側上部電極７８および外側上部電極８４に互いに位相が１８０°異なる交流電圧を印加することにより、内側圧電薄膜７７が伸びる場合は、外側圧電薄膜８３は縮む。逆に、内側圧電薄膜７７が縮む場合は、外側圧電薄膜８３は伸びる。
【００４５】
以上の原理に基づき、振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３は互いに逆方向（Ｘ方向）に振動体共振する。
【００４６】
そして、この状態において、Ｘ軸検出用角速度センサ素子における振動体７１の長手方向のＸ軸方向回りに角速度が付加されると、振動体７１の第１のアーム７２および第２のアーム７３の主面に直角な方向（Ｚ方向）に発生するコリオリ力に起因した振動によって、第１のアーム７２と第２のアーム７３とが互いに逆方向に撓む。そしてこの逆方向への撓みにより、第１のアーム７２における検知圧電薄膜８９と第２のアーム７３における検知圧電薄膜８９とに発生する電荷が互いに逆となる。そこで、その電荷を検知上部電極９０により検出し、そして、差動アンプ（図示せず）により差動をとることにより、出力信号を出力し、Ｘ軸周りの角速度を検出するものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る３軸検出角速度センサは、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの２軸方向の角速度を検出することが出来るという効果を有するものであり、特に各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される角速度センサ素子として有用なものである。
【符号の説明】
【００４８】
２７、３１、４７、５１ Ｙ軸検出振動体
２８ Ｙ軸検出圧電電極
３２ 捩れ延出部
３３、３８、５２、５８ 駆動振動体
３３ａ 駆動圧電電極
３４、３９、５４、５９ Ｚ軸検出振動体
３６、４０、５６、６０ 重り部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される３軸検出角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の角速度センサ素子は図８に示すような構成となっていた。
【０００３】
図８において、１は水晶からなる正方形状の固定部で、この固定部１はＸ軸方向に向かって延出される第１の延出腕２と第２の延出腕３を設けている。４は水晶製の第１の検出振動体で、この第１の検出振動体４は一端が前記固定部１に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第１の検出振動体４の４つの外側面にはそれぞれ検出電極５を設けているものである。そして、これと同様に、前記固定部１からは前記第１の検出振動体４を延出した方向と反対側のＹ軸方向に第２の検出振動体６を設けており、かつこの第２の検出振動体６の４つの外側面にもそれぞれ検出電極５を設けているものである。
【０００４】
７は水晶製の第１の駆動振動体で、この第１の駆動振動体７は一端が前記第１の延出腕２に接続され、かつ他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第１の駆動振動体７の４つの外側面にはそれぞれ駆動電極８を設けているものである。９は水晶製の第２の駆動振動体で、この第２の駆動振動体９は一端が前記第１の延出腕２に接続されるとともに、他端が前記第１の駆動振動体７を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第２の駆動振動体９の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。１０は水晶製の第３の駆動振動体で、この第３の駆動振動体１０は一端が第２の延出腕３に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第３の駆動振動体１０の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。１１は水晶製の第４の駆動振動体で、この第４の駆動振動体１１は一端が第２の延出腕３に接続されるとともに、他端が前記第３の駆動振動体１０を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第４の駆動振動体１１の４つの外側面にはそれぞれ検出電極８を設けているものである。
【０００５】
以上のように構成された従来の角速度センサ素子について、次にその動作を説明する。
【０００６】
第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１のそれぞれの駆動電極８に交流電圧を印加することにより、駆動方向に速度Ｖで駆動振動する。そして、この第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１が駆動振動している状態において、角速度センサ素子を設けた平面と垂直な方向であるＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１にＦ＝２ｍｖ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力を第１の延出腕２および第２の延出腕３および固定部１を介して第１の検出振動体４および第２の検出振動体６に伝えることにより、それぞれの検出電極５から角速度に応じた出力信号を出力するものであった。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２６４０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成においては、第１の延出腕２および第２の延出腕３および固定部１を介して第１の検出振動体４および第２の検出振動体６に伝えることにより、それぞれの検出電極５から角速度に応じた出力信号を出力しているため、Ｚ軸周りの１軸方向の角速度のみしか検出できないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出することが出来る３軸検出角速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、上面に少なくとも１つのＹ軸検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部の他端と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続させるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つのＺ軸検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とにより構成されたＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と、このＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とからなるもので、この構成によれば、Ｙ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とを設けたため、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出することが出来るという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の３軸検出角速度センサは、上面に少なくとも１つのＹ軸検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部の他端と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続させるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つのＺ軸検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とにより構成されたＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と、このＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とからなるもので、この構成によれば、Ｙ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とを設けたため、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの３軸方向の角速度を検出する３軸検出角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの上面図
【図２】同３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子の上面図
【図３】同３軸検出角速度センサにおける音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子の模式図
【図４】同３軸検出角速度センサにおける音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子における第１のアームの側断面図
【図５】本発明の一実施の形態の３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子の組立工程図
【図６】本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子の分極状態を示す模式図
【図７】本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子の分極状態を示す模式図
【図８】従来の角速度センサ素子の上面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサの上面図、図２は同３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子の上面図、図３は同３軸検出角速度センサにおける音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子の模式図、図４は同３軸検出角速度センサの音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子における第１のアームの側断面図である。
【００１７】
図１〜図３において、２０はＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子である。２１はＳｉからなる第１の固定部で、この第１の固定部２１の上面には一対の駆動電極ランド２２、１つのＹ方向検出電極ランド２３、４つのＺ方向検出電極ランド２４、ＧＮＤ電極ランド２５およびモニター電極ランド２６を設けている。２７はＳｉからなる第１のＹ軸検出振動体で、この第１のＹ軸検出振動体２７は一端を第１の固定部２１の一端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けており、このＹ軸検出圧電電極２８はＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３１はＳｉからなる第２のＹ軸検出振動体で、この第２のＹ軸検出振動体３１は一端を第１の固定部２１の他端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。３２は捩れ延出部で、この捩れ延出部３２は前記第１のＹ軸検出振動体２７の他端と、第２のＹ軸検出振動体３１の他端とを連接している。３３は第１の駆動振動体で、この第１の駆動振動体３３は前記捩れ延出部３２から垂直な方向に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けており、この駆動圧電電極３３ａはＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３４は第１のＺ軸検出振動体で、この第１のＺ軸検出振動体３４は前記第１の駆動振動体３３の他端に、第１の駆動振動体３３の延出方向と垂直な方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。また、前記第１のＺ軸検出振動体３４の上面には、Ｚ軸検出圧電電極３５を設けており、このＺ軸検出圧電電極３５はＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３６は重り部で、この重り部３６は、前記第１のＺ軸検出振動体３４の他端に接続されるとともに、一対の又部３７を設けており、この又部３７の各々を前記第１のＺ軸検出振動体３４の他端の両側に配設するように設けている。３８は第２の駆動振動体で、この第２の駆動振動体３８は捩れ延出部３２から垂直な方向に前記第１の駆動振動体３３と平行に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。３９は第２のＺ軸検出振動体で、この第２のＺ軸検出振動体３９は前記第２の駆動振動体３８の他端に、第２の駆動振動体３８の延出方向と垂直な方向でかつ、前記第１のＺ軸検出振動体３４と反対の方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。４０は重り部で、この重り部４０は前記第２のＺ軸検出振動体３９の他端に接続されている。４１はＳｉからなる第２の固定部で、この第２の固定部４１の上面には一対の駆動電極ランド４２、１つのＹ方向検出電極ランド４３、４つのＺ方向検出電極ランド４４、ＧＮＤ電極ランド４５およびモニター電極ランド４６を設けている。４７はＳｉからなる第３のＹ軸検出振動体で、この第３のＹ軸検出振動体４７は一端を第２の固定部４１の一端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。５１はＳｉからなる第４のＹ軸検出振動体で、この第４のＹ軸検出振動体５１は一端を第２の固定部４１の他端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。そして、第３のＹ軸検出振動体４７の他端と、第４のＹ軸検出振動体５１の他端とは前記捩れ延出部３２に接続されている。５２は第３の駆動振動体で、この第３の駆動振動体５２は前記捩れ延出部３２から前記第２の駆動振動体３８と反対方向でかつ捩れ延出部３２と垂直な方向に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。この駆動圧電電極３３ａはＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。５４は第３のＺ軸検出振動体で、この第３のＺ軸検出振動体５４は前記第３の駆動振動体５２の他端に、第３の駆動振動体５２の延出方向と垂直な方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。また、前記第３のＺ軸検出振動体５４の上面には、Ｚ軸検出圧電電極３５を設けている。５６は重り部で、この重り部５６は、前記第３のＺ軸検出振動体５４の他端に接続されている。５８は第４の駆動振動体で、この第４の駆動振動体５８は捩れ延出部３２から垂直な方向に前記第３の駆動振動体５２と平行に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。５９は第４のＺ軸検出振動体で、この第４のＺ軸検出振動体５９は前記第４の駆動振動体５８の他端に、第４の駆動振動体５８の延出方向と垂直な方向でかつ、前記第３のＺ軸検出振動体５４と反対の方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。６０は重り部で、この重り部６０は前記第４のＺ軸検出振動体５９の他端に接続されている。そして、前記第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８と捩れ延出部３２との接続箇所の近傍の上面には、各々、モニター圧電電極６１を設けている。そしてまた、前記第１の固定部２１における駆動電極ランド２２は、第１の駆動振動体３３および第２の駆動振動体３８における駆動圧電電極３３ａと配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、Ｙ方向検出電極ランド２３は配線パターン６２により、第１のＹ軸検出振動体２７および第２のＹ軸検出振動体３１におけるＹ軸検出圧電電極２８と電気的に接続されている。さらに、第１の固定部２１におけるＺ方向検出電極ランド２４は、第１のＺ軸検出振動体３４および第２のＺ軸検出振動体３９におけるＺ軸検出圧電電極３５と配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、モニター電極ランド２６は、第１の駆動振動体３３および第２の駆動振動体３８におけるモニター圧電電極６１と配線パターン６２により電気的に接続されている。さらに、前記第２の固定部４１における駆動電極ランド４２は、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８における駆動圧電電極３３ａと配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、Ｙ方向検出電極ランド４３は配線パターン６２により、第３のＹ軸検出振動体４７および第４のＹ軸検出振動体５１におけるＹ軸検出圧電電極２８と電気的に接続されている。さらに、第２の固定部４１におけるＺ方向検出電極ランド４４は、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９におけるＺ軸検出圧電電極３５と配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、モニター電極ランド４６は、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８におけるモニター圧電電極６１と配線パターン６２により電気的に接続されている。
【００１８】
７０は音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子である。７１は例えばＳｉ等の非圧電材料からなる振動体で、この振動体７１は、第１のアーム７２および第２のアーム７３と、前記第１のアーム７２の一端と第２のアーム７３の一端を接続する接続部７４とで構成されている。７５は前記振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３の主面の内側に設けられた一対の内側駆動部で、この内側駆動部７５は、図４に示すように、前記振動体７１の主面に設けられた一対のＰｔからなる内側下部電極７６と、この内側下部電極７６の上面に設けられた内側圧電薄膜７７と、この内側圧電薄膜７７の上面に設けられ、かつＴｉまたはＷとＡｕを層状に設けた内側上部電極７８とで構成されている。そして、前記内側圧電薄膜７７はチタン酸鉛膜７９と、このチタン酸鉛膜７９の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜８０とで構成されている。８１は前記振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３における主面の外側に前記内側駆動部７５と距離をおいて並設された一対の外側駆動部で、この外側駆動部８１は、前記内側駆動部７５と同様に、前記振動体７１の主面に設けられた一対のＰｔからなる外側下部電極８２と、この外側下部電極８２の上面に設けられた外側圧電薄膜８３と、この外側圧電薄膜８３の上面に設けられ、かつＴｉまたはＷとＡｕを層状に設けた外側上部電極８４とで構成されている。そして、前記外側圧電薄膜８３はチタン酸鉛膜８５と、このチタン酸鉛膜８５の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜８６とで構成されている。
【００１９】
８７は前記振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３の主面に前記内側駆動部７５と外側駆動部８１との間に位置して設けられた検知部で、この検知部８７は前記振動体７１の主面に設けられた一対のＰｔからなる検知下部電極８８と、この検知下部電極８８の上面に設けられた検知圧電薄膜８９と、この検知圧電薄膜８９の上面に設けられ、かつＴｉまたはＷとＡｕを層状に設けた検知上部電極９０とで構成されている。そして、前記検知圧電薄膜８９はチタン酸鉛膜９１と、このチタン酸鉛膜９１の上面に設けられたＰＺＴ圧電薄膜９２とで構成されている。９３はケースで、このケース９３は、前記Ｙ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子２０およびＸ軸検出角速度センサ素子７０を収納するとともに、上面にケース電極９４を設けており、このケース電極９４をＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子２０における一対の駆動電極ランド２２、１つのＹ方向検出電極ランド２３、４つのＺ方向検出電極ランド２４、ＧＮＤ電極ランド２５、モニター電極ランド２６、一対の駆動電極ランド４２、１つのＹ方向検出電極ランド４３、４つのＺ方向検出電極ランド４４、ＧＮＤ電極ランド４５およびモニター電極ランド４６とワイヤー線９５を介して電気的に接続している。
【００２０】
また、同様に、前記Ｘ軸検出用角速度センサ素子７０における接続部７４は、ケース９３におけるケース電極９４とワイヤー線９５を介して電気的に接続されている。
【００２１】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子について、次にその製造方法を説明する。
【００２２】
まず、図５（ａ）に示すように、予め上面に駆動電極ランド２２、４２、Ｙ方向検出電極ランド２３、４３、Ｚ方向検出電極ランド２４、４４、モニター電極ランド２６、４６、ＧＮＤ電極ランド２５、４５、Ｙ軸検出圧電電極２８、駆動圧電電極３３ａ、Ｚ軸検出圧電電極３５、モニター圧電電極６１および配線パターン６２を形成したウェハ６３を準備する。
【００２３】
次に、スピンコートによりウェハ６３の上面に、例えば、アルミ、チタン、酸化シリコン、窒化シリコン等のレジスト膜６４を塗布した後、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーにより、レジスト膜６４を所定形状にパターンニングする。
【００２４】
次に、前記ウェハ６３をドライエッチング装置（図示せず）にセットした後、ＳＦ6あるいはＣＦ6等のフッ素系ガスを導入することにより、図５（ｃ）に示すように、Ｓｉからなるウェハ６３のレジスト膜６４を設けた部分以外をエッチングして溝６５を形成する。
【００２５】
次に、図５（ｄ）に示すように、前記レジスト膜６４の上面に、５０〜２００ミクロンのバックグラインド時にウェハ６３の上面を保護する機能を有する粘着剤層（図示せず）を設けたフィルム６６を貼り、その後、ウェハ６３の上下を逆さまにして、ウェハ６３の上面側に設けたフィルム６６をチャックテーブル（図示せず）に固定する。
【００２６】
次に、図５（ｅ）に示すように、バックグラインドホイール６７を回転させることにより、ウェハ６３の裏面を研削する。
【００２７】
最後に、ＵＶを照射することにより、フィルム６６の粘着力を低減させてレジスト膜６４の上面から前記フィルム６６を剥離した後、前記レジスト膜６４を除去するとともに、前記ウェハ６３から個片の角速度センサ素子を取り出す。
【００２８】
同様に、本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサにおける音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子について、次にその製造方法を説明する。
【００２９】
まず、略厚さ０．２ｍｍの（１１０）面のシリコン（Ｓｉ）ウェハ（図示せず）を準備し、このシリコン（Ｓｉ）ウェハ（図示せず）の上面にＰｔをスパッタリングすることによって略１００Åの厚さとなるように成膜することにより、振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３の上面の内側下部電極７６、外側下部電極８２および検知下部電極８８が設けられる位置に下部電極（図示せず）を形成する。
【００３０】
次に、ＰＺＴ等の圧電薄膜の良好な配向を得るための製造条件の許容範囲を広くすることができるランタンとマグネシウムが添加されたチタン酸鉛膜（図示せず）をスパッタリングすることによって略２００Åの厚さとなるように成膜した後、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をスパッタリングすることによって略２〜３μｍの厚さとなるように成膜することにより、内側圧電薄膜７７、外側圧電薄膜８３および検知圧電薄膜８９が設けられる位置に圧電薄膜（図示せず）を形成する。
【００３１】
次に、ＴｉまたはＷをスパッタリングすることによって略１５Åの厚さとなるように成膜した後、その上面にＡｕの材料をスパッタリングすることによって略２０００Åの厚さとなるように成膜することにより、内側上部電極７８、外側上部電極８４および検知上部電極９０が設けられる位置に上部電極（図示せず）を形成する。
【００３２】
次に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、図３および図４に示すような形状の内側下部電極７６、外側下部電極８２、検知下部電極８８、内側圧電薄膜７７、外側圧電薄膜８３、検知圧電薄膜８９、内側上部電極７８、外側上部電極８４および検知上部電極９０を形成する。
【００３３】
最後に、ダイシング加工することにより、個片のＸ軸検出用角速度センサ素子に分離する。
【００３４】
以上のように組み立てられた本発明の一実施の形態における３軸検出角速度センサにおけるＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子について、次に、その動作を説明する。
【００３５】
第１の固定部２１における駆動電極ランド２２および第２の固定部４１における駆動電極ランド４２に交流電圧を印加することにより、配線パターン６２を介して、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８における駆動圧電電極３３ａの分極の方向と同じ方向の場合には引張応力が発生し、一方、反対の方向の場合には、圧縮応力が発生する。そうすると、交流電圧の位相に応じて、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８がＸ軸方向に速度Ｖで駆動振動する。この駆動振動は第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９を介して重り部３６、４０、５６、６０に伝わり、重り部３６、４０、５６、６０がＸ軸方向に速度Ｖで駆動振動する。
【００３６】
ここで、まず、角速度センサ素子にＺ軸方向回りの角速度が発生する場合を考える。
【００３７】
重り部３６、４０、５６、６０がコリオリ力により、Ｙ軸方向に振動駆動する。
【００３８】
そうすると、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９における第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８から垂直な方向に延出された箇所がＹ軸方向に振動駆動する。そして、角速度に応じた電荷がＺ軸検出圧電電極３５に発生する。さらに、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９のＬ字形状に折り曲げられた先端側は、前述のＹ軸方向振動駆動に伴い、Ｘ軸方向に撓み振動する。したがって、この撓み振動により発生する電荷が、Ｚ軸検出圧電電極３５に加算して発生し、Ｚ軸周りの角速度を検出することができるものである。
【００３９】
次に、角速度センサ素子にＹ軸方向回りの角速度が発生する場合を考える。
【００４０】
その場合には、重り部３６、４０、５６、６０がコリオリ力により、Ｚ軸方向に振動駆動する。そうすると、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９と、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８を介して、捩れ延出部３２に捩り力が加わり、第１のＹ軸検出振動体２７、第２のＹ軸検出振動体３１、第３のＹ軸検出振動体４７および第４のＹ軸検出振動体５１がＺ方向に振動駆動する。そして、Ｙ軸検出圧電電極２８に電荷が発生し、Ｙ軸周りの角速度を検出することができるものである。
【００４１】
同様に、本発明の一実施の形態における３軸検出用角速度センサにおけるＸ軸検出用角速度センサ素子について、その動作を図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図６、図７において、９６は分極方向を示す矢印、９７は内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３の伸縮方向を示す矢印である。この図６、図７において、内側下部電極７６と内側上部電極７８との間、および外側下部電極８２と外側上部電極８４との間にＤＣ約２０Ｖを印加すると、内側圧電薄膜７７、外側圧電薄膜８３および検知圧電薄膜８９の分極ベクトルの方向は一方向に揃う。例えば、内側下部電極７６および外側下部電極８２がプラス側に、内側上部電極７８および外側上部電極８４がマイナス側になるようにＤＣ電圧を印加すると、矢印９６に示すような方向に分極ベクトルが向く。このような内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３に対して図６に示すように、内側上部電極７８および外側上部電極８４が内側下部電極７６および外側下部電極８２よりも高電位になるように電圧を印加すると内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３は矢印に示す方向の分極ベクトルと垂直な矢印９７の方向に伸びる。逆に、図７に示すように、内側上部電極７８および外側上部電極８４が内側下部電極７６および外側下部電極８２よりも低電位になるように電圧を印加すると、内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３は矢印９６に示す方向の分極ベクトルと垂直な矢印９８の方向に縮む。
【００４３】
したがって、内側下部電極７６および外側下部電極８２をＧＮＤ電極または仮想ＧＮＤ電極とし、そして内側上部電極７８および外側上部電極８４に交流電圧を印加すると、内側圧電薄膜７７および外側圧電薄膜８３は、矢印９７、９８に示すように伸び縮みする。
【００４４】
また、図４に示す内側上部電極７８および外側上部電極８４に互いに位相が１８０°異なる交流電圧を印加することにより、内側圧電薄膜７７が伸びる場合は、外側圧電薄膜８３は縮む。逆に、内側圧電薄膜７７が縮む場合は、外側圧電薄膜８３は伸びる。
【００４５】
以上の原理に基づき、振動体７１における第１のアーム７２および第２のアーム７３は互いに逆方向（Ｘ方向）に振動体共振する。
【００４６】
そして、この状態において、Ｘ軸検出用角速度センサ素子における振動体７１の長手方向のＸ軸方向回りに角速度が付加されると、振動体７１の第１のアーム７２および第２のアーム７３の主面に直角な方向（Ｚ方向）に発生するコリオリ力に起因した振動によって、第１のアーム７２と第２のアーム７３とが互いに逆方向に撓む。そしてこの逆方向への撓みにより、第１のアーム７２における検知圧電薄膜８９と第２のアーム７３における検知圧電薄膜８９とに発生する電荷が互いに逆となる。そこで、その電荷を検知上部電極９０により検出し、そして、差動アンプ（図示せず）により差動をとることにより、出力信号を出力し、Ｘ軸周りの角速度を検出するものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る３軸検出角速度センサは、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの２軸方向の角速度を検出することが出来るという効果を有するものであり、特に各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される角速度センサ素子として有用なものである。
【符号の説明】
【００４８】
２７、３１、４７、５１ Ｙ軸検出振動体
２８ Ｙ軸検出圧電電極
３２ 捩れ延出部
３３、３８、５２、５８ 駆動振動体
３３ａ 駆動圧電電極
３４、３９、５４、５９ Ｚ軸検出振動体
３６、４０、５６、６０ 重り部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に少なくとも１つのＹ軸検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部の他端と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続させるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つのＺ軸検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とにより構成されたＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と、このＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とからなる３軸検出角速度センサ。
【請求項１】
上面に少なくとも１つのＹ軸検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部の他端と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続させるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つのＺ軸検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とにより構成されたＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と、このＹ軸およびＺ軸検出用角速度センサ素子と別体に設けられるとともにＸ軸方向に延出された音叉型のＸ軸検出用角速度センサ素子とからなる３軸検出角速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−９３１５４（Ｐ２０１２−９３１５４Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３９２５２（Ｐ２０１０−２３９２５２）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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