３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システム
【課題】１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供する。
【解決手段】正方形状に配置された４本の振動アーム１１〜１４と、正方形状の頂点より対角線方向に伸びた４本の検出アーム２１〜２４とを備え、４本の振動アーム１１〜１４の振動によって生じる検出アームの２１〜２４形状の歪みを検知して、振動アーム１１〜１４に加わった３軸角速度を検出する。z軸を回転軸として振動アームが回転した場合に、ｚ軸方向と垂直なｘ−ｙ方向に働くコリオリ力により発生する検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。ｘ（ｙ）軸方向を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、ｚ軸方向に働くコリオリ力により発生する検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【解決手段】正方形状に配置された４本の振動アーム１１〜１４と、正方形状の頂点より対角線方向に伸びた４本の検出アーム２１〜２４とを備え、４本の振動アーム１１〜１４の振動によって生じる検出アームの２１〜２４形状の歪みを検知して、振動アーム１１〜１４に加わった３軸角速度を検出する。z軸を回転軸として振動アームが回転した場合に、ｚ軸方向と垂直なｘ−ｙ方向に働くコリオリ力により発生する検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。ｘ（ｙ）軸方向を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、ｚ軸方向に働くコリオリ力により発生する検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムに係り、特にコリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出する３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料を用いた角速度検出装置として、音片型、音叉型など様々な形状の振動式角速度検出装置が提案され実用化されている。特に、音叉型の振動式角速度検出装置はＱ値が高く、安定した振動と高い感度が得られる。これらの角速度検出装置は、１つの振動子につき１軸方向の角速度のみ検出可能である。
【０００３】
例えば、アーム（振動子）を振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極と、アームに加えられた角速度に応じた検出信号を出力する検出電極とが、同一のアーム上に形成された音叉型振動式角速度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
上記のような角速度検出装置では、アームの振動方向が水平方向の場合に検出方向は垂直方向であり、アームに角速度が加わらない状態では、検出電極から検出信号は出力されない。そして、アームが水平方向に振動している状態でアームに角速度が加えられると、コリオリ力によりアームが垂直方向に振動し、この垂直方向の振動に基づき角速度が検出される。
【０００５】
しかしながら、実際にはプロセスばらつき等に起因して、僅かながら水平方向からずれた方向に角速度検出装置のアームが振動する。このため、垂直方向の成分が存在するので、アームに角速度が加えられていない状態でも検出電極からアームに角速度が加わっているように検出信号が出力される。このような、アームの振動方向が所定の方向からずれたために検出電極から出力される検出信号を、以下において「振動ノイズ」という。
【０００６】
振動ノイズが発生した状態でアームに角速度を加えると、振動ノイズと角速度による信号が加算された検出信号が検出電極から出力される。このため、振動ノイズが大きいとＳ／Ｎ比が劣化し、感度が低下する。
【０００７】
一方、検出する運動の自由度に多軸化が求められるようになり、直交する３軸の各成分（角速度）を検出する角速度センサが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
特許文献２では、１つの振動子で３軸方向の角速度を検出する角速度センサが提案されている。しかしながら、３回対称を有する構造で、１２０°異なる方向に延在する構造を備えているため、例えば水晶のような３回対称を有する単結晶圧電体以外の材料では、作成が困難である。また、ｘ軸、ｙ軸の検出信号は異なっており、規格化するためには複雑な信号処理が必要である。
【０００９】
例えば、振動子により３軸化を図ろうとする場合、角速度の検出原理であるコリオリ力を３軸全てについて発生させるため、素子は、駆動変位速度として少なくとも直交する２方向成分を有する必要がある。これを実現する技術として、１つの慣性体系を、時間的にも直交した２相駆動により円運動させる方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１０】
非特許文献１の方式では、３軸の角速度センサが提案されているが、振動子を円運動させる必要があり、また、異なる成分を分離することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−３５１８７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１７５３８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】田村英樹、市村敏也、富川義朗、「２相駆動による３軸角速度検出ジャイロセンサ」、超音波ＴＥＣＮＯ、２００２.１−２、ｐｐ．６−１３（２００２−０１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様によれば、正方形状に配置された４本の振動アームと、前記正方形状の頂点より対角線方向に伸びた４本の検出アームとを備え、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出する３軸角速度検出振動子が提供される。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、空洞を有する基板と、正方形状に配置された４本の振動アームと、一方の端部が前記正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アームとを備え、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出する３軸角速度検出装置が提供される。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、空洞を有する基板と、正方形状に配置された４本の振動アームと、一方の端部が前記正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アームと、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出する検出回路とを備える３軸角速度検出システムが提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成図。
【図２】図１のI−I線に沿う模式的断面構造図。
【図３】図１のII−II線に沿う模式的断面構造図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムを説明する模式的ブロック構成図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムの回路構成例を示す模式的ブロック構成図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムの検出信号の波形例を示すグラフ。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その１）。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その２）。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その３）。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その４）。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その５）。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。
【図１７】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出素子および３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成図。
【図１８】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置において、定常振動状態を示す模式的平面パターン構成図。
【図１９】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置において、ｚ軸方向を中心とする角速度が加わったｚ軸検出状態を示す模式的平面パターン構成図。
【図２０】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置において、（ａ）ｘ（ｙ）軸方向を中心とする角速度が加わったｘ（ｙ）軸検出状態を示す模式的側面図、（ｂ）（ａ）に対応する模式的鳥瞰図。
【図２１】本発明の別の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態およびその変形例を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２０】
又、以下に示す第１の実施の形態およびその変形例は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成は、図１に示すように表され、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図２に示すように表され、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図３に示すように表される。
【００２２】
（３軸角速度検出振動子）
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２は、図１に示すように、正方形状に配置された４本の振動アーム１１〜１４と、正方形状の頂点より対角線方向に伸びた４本の検出アーム２１〜２４とを備え、４本の振動アーム１１〜１４の振動によって生じる４本の検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検知して、４本の振動アーム１１〜１４に加わった３軸角速度を検出する。
【００２３】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２においては、振動アーム１１〜１４の振動する面に垂直なｚ軸を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合には、回転軸のｚ軸方向及び駆動振動方向（ｘ−ｙ面）と垂直方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００２４】
また、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２においては、振動アーム１１〜１４の長軸方向（ｘ軸、ｙ軸）を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合には、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００２５】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２においては、４本の振動アームは、振動アーム１１と、振動アーム１１の端部と連結部３１を介して直角に連結された振動アーム１２と、振動アーム１２の端部と連結部３２を介して直角に連結され、振動アーム１１に対向して配置された振動アーム１３と、振動アーム１３の端部と連結部３３を介して直角に連結され、かつ振動アーム１１の他方の端部と連結部３４を介して直角に連結され、振動アーム１２に対向して配置された振動アーム１４とを備える。
【００２６】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２においては、４本の検出アームは、連結部３１に一方の端部が接続された検出アーム２１と、連結部３２に一方の端部が接続された検出アーム２２と、連結部３３に一方の端部が接続された検出アーム２３と、連結部３４に一方の端部が接続された検出アーム２４とを備える。
【００２７】
（３軸角速度検出装置）
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４は、図１に示すように、空洞５０を有する基板４０と、正方形状に配置された４本の振動アーム１１〜１４と、一方の端部が正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が基板４０の空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アーム２１〜２４とを備え、４本の振動アーム１１〜１４の振動によって生じる４本の検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検知して、４本の振動アーム１１〜１４に加わった３軸角速度を検出する。
【００２８】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４においては、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、回転軸のｚ軸方向及び駆動振動方向（ｘ−ｙ面）と垂直方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００２９】
また、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４においては、振動アーム１１〜１４の長軸方向（ｘ軸、ｙ軸）を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００３０】
振動アーム１１〜１４は、外部からの駆動信号入力により駆動振動方向に振動（以下において「駆動振動」という。）する。「駆動振動方向」は、図１において紙面に平行で、かつ振動アーム１１〜１４の延伸する長軸方向に対して垂直な方向である。具体的には、図１において、振動アーム１１、１３の駆動振動方向は、ｙ軸方向、振動アーム１２、１４の駆動振動方向は、ｘ軸方向である。つまり、駆動振動方向を含む駆動振動面はｘ−ｙ平面である。また、駆動振動面の法線方向をｚ軸方向とする。
【００３１】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４は、３軸（ｘ、ｙ、ｚ）方向に回転する角速度を検出するための構成として、３軸角速度検出振動子２の検出アーム２１〜２４の他端を基板４０の空洞５０を囲む周辺部に固定し、振動アーム１１〜１４と検出アーム２〜２４を分離している。
【００３２】
図１に示したように、振動アーム１１の連結部３１と連結部３４に近い領域に、それぞれ駆動電極１１１と駆動電極１１２が配置されている。同様に、振動アーム１２の連結部３１と連結部３２に近い領域に、それぞれ駆動電極１２１と駆動電極１２２が配置され、振動アーム１３の連結部３２と連結部３３に近い領域に、それぞれ駆動電極１３１と駆動電極１３２が配置され、振動アーム１４の連結部３４と連結部３３に近い領域に、それぞれ駆動電極１４１と駆動電極１４２が配置されている。
【００３３】
駆動電極１１１、１１２は、振動アーム１１上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２を有する。同様に、駆動電極１２１、１２２は、振動アーム１２上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２を有し、駆動電極１３１、１３２は、振動アーム１３上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２を有し、駆動電極１４１、１４２は、振動アーム１４上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２を有する。
【００３４】
図１に示すように、振動アーム１１〜１４の「内側」に第１印加電極１０１が配置され、内側と対向する面側（以下において「外側」という）に第２印加電極１０２が配置される。
【００３５】
また、検出アーム２１上の固定端Ａに近い領域に検出電極２１１が配置され、検出アーム２２上の固定端Ｂに近い領域に検出電極２２１が配置され、検出アーム２３の固定端Ｃに近い領域に検出電極２３１が配置され、検出アーム２４上の固定端Ｄに近い領域に検出電極２４１が配置されている。検出アーム２１〜２４上に配置される検知電極２１１〜２１４は、検出アーム２１〜２４を見て必ず同じ側に検知電極２０１または検知電極２０２が設けられている。したがって、ｚ軸を中心に、検出アーム２１〜２４がゆがむと、必ず検知電極２０１は同じ側のゆがみを検出する。同様に、検知電極２０２も、必ず同じ側のゆがみを検出する。
【００３６】
更に、図１では、煩雑となるため図示を省略しているが、連結部３１〜３４の付近に振動参照電極７１〜７４が配置されている（後述する図４参照）。
【００３７】
図２に、図１のＩ−Ｉ線に沿った振動アーム１２、１４の断面構造を示す。図２に示すように、振動アーム１２、１４上の側面に近い領域に、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２が対向して配置されている。第１印加電極１０１と第２印加電極１０２は、同一の層構造である。
【００３８】
図３に、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った検出アーム２１の断面構造を示す。図３に示すように、検出アーム２１上の側面に近い領域に、同一の層構造を有する検知電極２０１、２０２が対向して配置されている。図示を省略するが、検出アーム２２、２３、２４の構造も検出アーム２１の構造と同様である。
【００３９】
図１〜図３に示すように、振動アーム１１〜１４および検出アーム２１〜２４は、基板４０に形成された空洞５０内に配置された３軸角速度検出振動子２を構成する。後述するように、基板４０をエッチングして空洞５０を形成する際に基板４０の一部を残すことにより、振動アーム１１〜１４および検出アーム２１〜２４は形成される。
【００４０】
基板４０には、シリコン基板等が採用可能である。例えば振動アーム１１〜１４および検出アーム２１〜２４の基板４０の幅ｗは１５０μｍ程度であり、膜厚ｄは１５０μｍ程度である。
【００４１】
図２および図３に示すように、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検知電極２０１、２０２は、それぞれ下部電極３０１、圧電体膜３０２、上部電極３０３の積層体である。下部電極３０１には、膜厚２００ｎｍ程度の白金（Ｐｔ）／チタン（Ｔｉ）の積層膜等が採用可能であり、上部電極３０３には、膜厚２００ｎｍ程度の酸化イリジウム（ＩｒＯ2）／イリジウム（Ｉｒ）の積層膜や金（Ａｕ）膜等が採用可能である。圧電体膜３０２には、膜厚１〜３μｍ程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜やランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜等が採用可能である。ＰＺＴ膜やＰＬＺＴ膜はゾルゲル法等により形成される。
【００４２】
第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検知電極２０１、２０２は、基板４０上に形成された酸化シリコン膜４１上に配置され、周囲を保護膜４５で覆われている。酸化シリコン膜４１は、例えば基板４０の表面を熱酸化して形成される。保護膜４５は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）膜と酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜の積層膜である。
【００４３】
駆動信号として駆動電圧Ｖｄが第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に印加されると、逆圧電効果により第１印加電極１０１と第２印加電極１０２の圧電体膜３０２の形状が変形する。例えば、圧電体膜３０２はプラス電圧が印加されるとｙ軸方向に縮み、マイナス電圧が印加されるとｙ軸方向に伸びる。
【００４４】
このため、振動アーム１１〜１４の側面近くに配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２に極性の異なる電圧を印加することにより、振動アーム１１〜１４の外側が伸びる場合に内側が縮み、振動アーム１１〜１４の内側が伸びる場合に外側が縮む。つまり、振動アーム１１〜１４は、延伸する長軸方向に対して垂直な方向に屈曲する（後述する図１８参照）。
【００４５】
一方、検出アーム２１〜２４に形状の変化が生じると、検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２の形状が変形し、圧電効果により検出電極２１１〜２４１から電気信号が検出信号として出力される。検出信号は、圧電効果により検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２に生じる分極を検出して検出電極２１１〜２４１が出力する電流信号若しくは電圧信号である。
【００４６】
（３軸角速度検出システム）
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムを説明する模式的ブロック構成は、図４に示すように表される。また、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムの回路構成例を示す模式的ブロック構成は、図５に示すように表され、検出信号の波形例は、図６に示すように表される。
【００４７】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システム１は、図４に示すように、空洞５０を有する基板４０と、正方形状に配置された４本の振動アーム１１〜１４と、一方の端部が正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が基板４０の空洞５０を囲む周辺部に固定された４本の検出アーム２１〜２４と、４本の振動アーム１１〜１４の振動によって生じる４本の検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検知して、４本の振動アーム１１〜１４に加わった３軸角速度を検出する検出回路６００とを備える。
【００４８】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システム１において、検出回路６００が、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、回転軸のｚ軸方向及び駆動振動方向（ｘ−ｙ面）と垂直な方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００４９】
また、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システム１において、検出回路６００が、振動アーム１１〜１４の長軸方向（ｘ軸、ｙ軸）を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００５０】
また、検出回路６００が出力する駆動電圧Ｖｄによって、振動アーム１１〜１４が駆動振動方向に沿って振動する。
【００５１】
駆動電圧Ｖｄは、図４に示した検出回路６００の駆動回路６１０から駆動電極１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２に出力される。駆動回路６１０は、駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄを出力する。駆動振動周波数ｆｄは、３軸角速度検出振動子２の駆動振動方向の共振周波数に設定される。
【００５２】
また、振動アーム１１〜１４に３軸角速度が加えられたことによって検知電極２０１、２０２に生じる分極に基づいて、検出電極２１１〜２４１から検出回路６００の検知回路６２０にそれぞれ検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３、Ｓｄ４が出力される。ここで、各検出アーム２１〜２４から、検知電極２０１の検出信号および検知電極２０２の検出信号、それぞれが検知回路６２０に入力される。
【００５３】
振動参照電極７１、７２、７３、７４は、図２、図３に示した駆動電極１１１、１４１、検出電極２１１と同様に、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３の積層構造を有する。そして、駆動振動に起因して生じる振動アーム１１〜１４の形状変化に比例する参照電圧Ｖｒが、振動参照電極７１〜７４に発生する。つまり、参照電圧Ｖｒの大きさは、駆動振動の大きさに比例する。参照電圧Ｖｒは、振動参照電極７１〜７４から検出回路６００の振動量検出回路６４０に出力される。振動量検出回路６４０は、参照電圧Ｖｒに基づき、駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFを駆動回路６１０に出力する。
【００５４】
以下に、３軸角速度検出システム１の動作を説明する。
【００５５】
駆動回路６１０により、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄが印加されると、既に述べたように第１印加電極１０１及び第２印加電極１０２の圧電体膜３０２が変形し、振動アーム１１〜１４は屈曲する。即ち、振動アーム１１〜１４は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動方向に沿って駆動振動する。
【００５６】
駆動振動においては、振動アーム１１〜１４のそれぞれの第１印加電極１０１に同一極性の電圧が印加され、かつ第１印加電極１０１に印加される電圧と逆の極性の電圧が第２印加電極１０２に印加される。このため、振動アーム１２と振動アーム１４のいずれか一方がｘ軸方向に屈曲する場合には、他方が−ｘ軸方向に屈曲する。同様に、振動アーム１１と振動アーム１３のいずれか一方がｙ軸方向に屈曲する場合には、他方が−ｙ軸方向に屈曲する
つまり、振動アーム１１と振動アーム１３は、互いの両端部が振動アーム１２および１４で連結されて、且つ同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が互いに逆向きである３軸角速度検出振動子２の一部を構成し、同様に、振動アーム１２と振動アーム１４は、互いの両端部が振動アーム１１および１３で連結されて、且つ同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が互いに逆向きである３軸角速度検出振動子２の一部を構成する。この３軸角速度検出振動子２は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動する。
【００５７】
振動アーム１２と振動アーム１４の駆動方向が逆方向であり、振動アーム１１と振動アーム１３の駆動方向が逆方向であるため、振動アーム１１〜１４が駆動振動のみしている状態では、連結部３１〜３４の各中心部、つまり連結部３１〜３４と検出アーム２１〜２４との接続点は振動しない不動点である。このため、振動アーム１１〜１４が駆動振動のみしている状態では、検出アーム２１〜２４に形状の歪みは発生せず、検出電極２１１〜２４１は検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３、Ｓｄ４を出力しない。
【００５８】
振動アーム１１〜１４が駆動振動している状態で、駆動振動面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸を回転軸として３軸角速度検出振動子２が回転すると、振動アーム１１〜１４はコリオリ力を受ける。即ち、３軸角速度検出振動子２に加えられた回転の回転軸方向（ｚ軸方向）及び駆動振動方向（ｘ軸方向）に垂直な方向（ｙ軸方向）、或いは駆動振動方向（ｙ軸方向）に垂直な方向（ｘ軸方向）、つまり振動アーム１１〜１４の長軸方向に、振動アーム１１〜１４はコリオリ力をそれぞれ受ける。
【００５９】
駆動振動において、同一時刻の振動アーム１１と振動アーム１３および振動アーム１２と振動アーム１４の駆動方向は互いに逆向きである。このため、振動アーム１１、１３の受けるコリオリ力の向きは、同一時刻において互いに逆向きであり、同様に振動アーム１２、１４の受けるコリオリ力の向きは、同一時刻において互いに逆向きである。
【００６０】
振動アーム１１〜１４にコリオリ力が働くと、検出アーム２１〜２４に形状の歪みが発生する。検出アーム２１〜２４に形状の歪みが発生すると、検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２の形状が変形し、圧電体膜３０２で分極が生じる。検出電極２１１〜２４１は、圧電体膜３０２で生じた分極により検知電極２０１、２０２間に流れる電流（検出電流）或いは検知電極２０１、２０２間に発生する電圧（検出電圧）を検出する。検出電極２１１、２２１は、検出電流或いは検出電圧を検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２として検出回路６００に出力する。同様に、検出電極２３１、２４１は、検出電流或いは検出電圧を検出信号Ｓｄ３、Ｓｄ４として検出回路６００に出力する。
【００６１】
検出回路６００は、検出電極２１１〜２４１が出力する検出信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４に基づき、振動アーム１１〜１４に加えられた角速度を検出する。検出回路６００の構成例の一部を図５に示す。図５においては、検出電極２１１、２２１が出力する検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に基づく信号処理系を主として説明する。他の検出電極２３１、２４１が出力する検出信号Ｓｄ３、Ｓｄ４に基づく信号処理系についても図５と同様である。
【００６２】
駆動回路６１０は駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄを出力するが、駆動振動周波数ｆｄは、振動量検出回路６４０から駆動回路６１０に出力される駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFを参照して設定される。振動量検出回路６４０は、図５に示すように、電流アンプ６４１、自動利得制御回路（ＡＧＣ）６４２を有する。振動アーム１１、１２の駆動振動により振動参照電極７１、７２に発生する参照電圧Ｖｒは、電流アンプ６４１を介してＡＧＣ６４２に入力される。ＡＧＣ６４２の出力が、駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFとして駆動回路６１０に出力される。
【００６３】
駆動回路６１０は、振動信号ＳFに基づき、駆動振動の大きさが最大になる駆動振動周波数ｆｄを３軸角速度検出振動子２の共振周波数として設定し、駆動電圧Ｖｄの駆動振動周波数ｆｄが決定される。つまり、駆動振動の大きさが振３軸角速度検出振動子２から駆動回路６１０にフィードバックされて、駆動振動周波数ｆｄが設定される。
【００６４】
検知回路６２０は、図５に示すように、電流アンプ６２１、６２２及び差動アンプ６２３を有する。検出電極２１１に接続する電流アンプ６２１に検出信号Ｓｄ１が入力され、検出電極２２１に接続する電流アンプ６２２に検出信号Ｓｄ１が入力される。電流アンプ６２１の出力と電流アンプ６２２の出力は差動アンプ６２３に入力され、検出信号Ｓｄ１と検出信号Ｓｄ２を重ねた信号が検知信号ＳTとして検波回路６３０に送信される。ここで、例えば、電流アンプ６２１には、各検出アーム２１〜２４の検知電極２０１の検出信号Ｓ４１が入力される。また、電流アンプ６２２には、各検出アーム２１〜２４の検知電極２０２の検出信号Ｓ４２が入力される。それぞれの電流アンプ６２１および６２２に入力される信号は、足し合わされる。
【００６５】
検出信号Ｓｄ１、検出信号Ｓｄ２及び検知信号ＳTの例を、図６に示す。検出信号Ｓｄ３、Ｓｄ４についても図６と同様である。図６に示した信号Ｓｗは３軸角速度検出振動子２の振動を示し、検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２は検出アーム２１、検出アーム２２の検出電圧をそれぞれ示す。図６に示すように、検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２は３軸角速度検出振動子２の振動周波数で振動する。検出信号Ｓｄ１と検出信号Ｓｄ２を重ね合わせることによって検知信号ＳTは増幅され、同時に検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に含まれるノイズが除去される。そのため、圧電体膜３０２の形状変化をより感度良く検知することができる。
【００６６】
検波回路６３０は、同期検波６３１及び平滑回路６３２を有する。検波回路６３０は、検知回路６２０から送信される検知信号ＳTを、振動量検出回路６４０から振動信号ＳFで送信される駆動振動周波数ｆｄを用いた同期検波することにより、角速度ωを算出する。算出された角速度ωは、出力信号Ｄ１で検波回路６３０から出力される。
【００６７】
なお、検出回路６００を基板４０と異なる基板上に形成してもよいし、検出回路６００を基板４０に形成してもよい。３軸角速度検出振動子２と検出回路６００を基板４０上に形成して１チップ化することにより、３軸角速度検出装置４を小型化することができる。
【００６８】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４では、駆動振動する振動アーム１１〜１４と、コリオリ力により振動する検出アーム２１〜２４が異なり、駆動振動は検出アーム２１〜２４に伝わらない。また、３軸角速度検出装置４は、振動アーム１１と１３及び振動アーム１２と１４が互いに逆方向に振動する。このため、駆動振動の不動点である連結部３１〜３４に接続する検出アーム２１〜２４に駆動振動が伝達されにくい。
【００６９】
（３軸角速度検出装置の製造方法）
図７〜図１１を参照して、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４の製造方法を説明する。図７〜図１１は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線方向に沿った工程断面図である。なお、以下に述べる３軸角速度検出装置４の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００７０】
（イ）まず、図７に示すように、厚さ７００μｍ程度のシリコン基板である基板４０の表面上に酸化シリコン膜４１を形成し、裏面上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。
【００７１】
（ロ）次に、図８に示すように、基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に、下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３を順に積層する。例えば、スパッタ法により、膜厚２００ｎｍ程度のＰｔ／Ｔｉ積層膜を下部電極層３１１として形成する。下部電極層３１１がＴｉ膜を下層とするＰｔ／Ｔｉ積層膜である場合に、Ｔｉ膜とシリコン基板との密着性が良くない。このため、基板４０上に酸化シリコン膜４１を形成して、基板４０と下部電極層３１１との密着性を向上させている。下部電極層３１１上に、圧電体膜層３１２として例えばＰＬＺＴ膜をゾルゲル法等により形成する。圧電体膜層３１２上に、スパッタ法によりＩｒＯ2膜を下層とするＩｒＯ2／Ｉｒの積層膜を上部電極層３１３として形成する。
【００７２】
（ハ）次に、フォトリソグラフィ技術やエッチング等により、所望のパターンになるように下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３をパターニングして、図９に示すように、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３が積層された駆動電極１１１、１１２を形成する。図示を省略するが、駆動電極１１１、１１２と同様にして、駆動電極１２１、１２２や検出電極２１１、２２１も同時に形成される。その後、アルミナ膜と酸化シリコン膜の積層膜を保護膜４５として全面に形成する。次いで、空洞５０が形成される領域４００の保護膜４５及び酸化シリコン膜４１を除去する。
【００７３】
（ニ）次に、基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をエッチングして、空洞５０を形成する領域の基板４０の裏面を露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによって、３軸角速度検出振動子２が配置される領域である基板４０の裏面の一部を除去する。その結果、振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の裏面が露出される。その後、図１０に示すように、基板４０の裏面にエッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０をプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）法等により形成する。
【００７４】
（ホ）次に、保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜６０をエッチングストッパーとするドライエッチングによって基板４０の表面の一部を除去し、図１１に示すように空洞５０を形成して振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の側面を露出させる。その後、酸化シリコン膜６０を除去する。以上により、図１に示す３軸角速度検出装置４が完成する。
【００７５】
上記では、エッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０を基板４０の裏面に形成する例を説明した。しかし、図１２〜図１６を参照して以下に説明するように、エッチングストッパーとしての絶縁膜を予め基板４０に形成しておいてもよい。なお、図１２〜図１６は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った工程断面図である。
【００７６】
（イ）図１２に示すように、シリコン膜４０ａ、酸化シリコン膜４０ｂ及びシリコン膜４０ｃが積層されたＳＯＩ基板を、基板４０として用意する。そして、基板４０の表面上、即ちシリコン膜４０ｃ上に酸化シリコン膜４１を形成する。更に、基板４０の裏面上、即ちシリコン膜４０ａ上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。
【００７７】
（ロ）図１３に示すように、基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に、下部電極３１１、圧電体膜３１２及び上部電極３１３を順に積層する。例えば、図１０を参照して説明した例と同様に、下部電極３１１として形成したＰｔ／Ｔｉ積層膜上に、圧電体膜３１２としてＰＬＺＴ膜を形成する。そして、圧電体膜３１２上に、ＩｒＯ2膜を下層とするＩｒＯ2／Ｉｒの積層膜を上部電極３１３として形成する。
【００７８】
（ハ）図１４に示すように、下部電極３１１、圧電体膜３１２及び上部電極３１３をパターニングして、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３が積層された第１印加電極１０１、第２印加電極１０２を形成する。図示を省略するが、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２と同様にして、検知電極２０１、２０２も同時に形成される。その後、アルミナ膜と酸化シリコン膜の積層膜を保護膜４５として全面に形成する。次いで、空洞５０が形成される領域４００の保護膜４５及び酸化シリコン膜４１を除去する。
【００７９】
（ニ）基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をフォトリソグラフィ技術等を用いてエッチングし、振動子１０及び空洞５０を形成する領域のシリコン膜４０ａを露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによって、露出したシリコン膜４０ａを除去する。その結果、図１５に示すように、振動子１０が配置される領域及び空洞５０を形成する領域の酸化シリコン膜４０ｂが露出される。
【００８０】
（ホ）保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜４０ｂをエッチングストッパーとするドライエッチングによって、図１６に示すように空洞５０を形成する領域のシリコン膜４０ｃを除去して、振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の側面を露出させる。その後、空洞５０領域の酸化シリコン膜４０ｂを除去する。以上により、本発明の第１の実施形態に係る３軸角速度検出装置４が完成する。
【００８１】
上記のような本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４の製造方法によれば、駆動振動する振動アーム１１〜１４と検出振動する検出アーム２１〜２４とが異なり、且つ、振動アーム１１〜１４の駆動振動の振動方向と検出アーム２１〜２４の検出振動の振動方向とが異なることにより、振動ノイズによる影響を低減できる３軸角速度検出装置４を提供することができる。
【００８２】
第１の実施の形態およびその変形例によれば、１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供することができる。
【００８３】
（変形例）
第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成は、図１７に示すように表される。図１７中に示される３軸角速度検出振動子２は、振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４にスリットＳが形成されている点が、図１中に示される３軸角速度検出振動子２と異なる。スリットＳは、振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４の上面から下面まで貫通する空洞である。
【００８４】
図１中に示した３軸角速度検出振動子２の振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４のようにスリットの無いアームと比較して、スリットＳのあるアームは変形しやすい。このため、図１７中に示した３軸角速度検出振動子２では、図１中に示した３軸角速度検出振動子２よりも、３軸角速度が加えられた場合の振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４の形状変化が大きく、検出信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４が大きくなる。その結果、３軸角速度検出装置４の角速度検出感度が向上する。
【００８５】
１つのアーム上に駆動電極と検出電極が並べて配置される角速度検出装置では、アーム上に電極が配置されていない領域が少ない。このため、スリットＳを形成することは困難である。しかし、第１の実施形態に係る３軸角速度検出装置４では駆動電極と検出電極が異なるアーム上に配置されるため、振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４にスリットＳを形成することが可能である。
【００８６】
（３軸角速度検出装置の動作モード）
３軸角速度検出動作は、図１に示す第１の実施の形態と同様であるが、各振動アーム１１〜１４および各検出アーム２１〜２４の変形状態がより柔軟な、図１８に示される第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置４を例として、３軸角速度検出装置４の動作モードを説明する。
【００８７】
第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置４において、定常振動状態を示す模式的平面パターン構成は、図１８に示すように表される。
【００８８】
対向する振動アーム１２,１４は、ｘ−ｙ平面上において、図１８に示すように、ｘ軸方向に位相が１８０°ずれた振動モード、即ち＋ｘ軸方向および−ｘ軸方向に振動する。同様に、振動アーム１１,１３は、ｘ−ｙ平面上において、図１８に示すように、ｙ軸方向に位相が１８０°ずれた振動モード、即ち＋ｙ軸方向および−ｙ軸方向に振動する。
【００８９】
一方、第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置４において、ｚ軸方向を中心とする角速度ωが加わったｚ軸検出状態を示す模式的平面パターン構成は、図１９に示すように表される。
【００９０】
ｚ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１２,１４は、ｘ−ｙ平面上において、図１９に示すように、−ｙ軸方向のコリオリ力ｆ３および＋ｙ軸方向のコリオリ力ｆ１を受ける。同様に、振動アーム１１,１３は、ｘ−ｙ平面上において、図１９に示すように、−ｘ軸方向のコリオリ力ｆ２および＋ｙ軸方向のコリオリ力ｆ４を受ける。すなわち、ｚ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、各振動アームには、コリオリ力が９０°ずれた方向に働き、検出アーム２１〜２４が変形する。
【００９１】
さらに、第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置４において、ｙ軸方向を中心とする角速度ωが加わったｙ軸検出状態を示す模式的側面構造は、図２０（ａ）に示すように表される。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に対応する鳥瞰図は、図２０（ｂ）に示すように表される。
【００９２】
ｙ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１２,１４は、ｚ−ｘ平面上において、図２０に示すように、＋ｚ軸方向のコリオリ力ｆｚおよび−ｚ軸方向のコリオリ力−ｆｚを受ける。同時に、振動アーム１１,１３は、ｚ−ｘ平面上において、図２０に示すように、変形される。すなわち、ｙ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１２,１４には、＋ｚ軸方向のコリオリ力ｆｚおよび−ｚ軸方向のコリオリ力−ｆｚが働き、検出アーム２１〜２４が変形する。
【００９３】
ｘ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１１,１３は、ｚ−ｙ平面上において、＋ｚ軸方向のコリオリ力ｆｚおよび−ｚ軸方向のコリオリ力−ｆｚを受ける。同時に、振動アーム１２,１４は、ｚ−ｙ平面上において、変形される。すなわち、ｘ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１１,１３には、＋ｚ軸方向のコリオリ力ｆｚおよび−ｚ軸方向のコリオリ力−ｆｚが働き、検出アーム２１、２２、２３、２４が変形する。
【００９４】
外力Ｆにより３軸角速度検出振動子２にｚ軸方向の加速度が加わった場合における、３軸角速度検出振動子２の共振周波数ｆFと外力Ｆとの関係は、例えば以下の通りである。
【００９５】
振動アームに外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆFは、以下の式（１）で表される。
【００９６】
ｆF＝ｆ0｛１−（ＫＬ2Ｆ）／（２ＥＩ）｝1/2 （１）
式（１）で、ｆ0は、外力が加えられていない状態での振動アームの共振周波数、Ｋは、基本波モードによる定数、Ｌは、振動アームの長さ、Ｅは、縦弾性定数、Ｉは、断面２次モーメント（Ｉ＝ｄｗ3／１２）をそれぞれ示す。
【００９７】
振動アームの厚さをｄ、幅をｗ、断面積Ａ＝ｄ×ｗとすると、式（２）が得られる。
【００９８】
ｆF＝ｆ0（１−ＦS）1/2 （２）
ただし、式（２）において、式（３）、式（４）を用いている：
ＦS＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）2 （３）
σ＝Ｆ／（２Ａ） （４）
以上から、外力Ｆと共振周波数ｆFの関係は以下のようになる。即ち、３軸角速度検出振動子２に作用する外力Ｆを圧縮方向の時が負、伸張方向（引張り方向）の時を正とすると、外力Ｆが圧縮力では共振周波数ｆFが低くなり、外力Ｆが伸張（引張り）力では共振周波数ｆFが高くなる。また、応力感度ＦSは、振動アームのＬ／ｗの２乗に比例する。
【００９９】
上記の外力Ｆと共振周波数ｆFとの関係を利用して、３軸角速度検出装置４は、３軸角速度検出振動子２に加わったｚ軸方向の加速度を検出できる。更に、３軸角速度検出装置４は、振動アーム１１〜１４が駆動振動している定常状態において３軸角速度検出振動子２に加わるｚ軸方向を回転軸とする回転の角速度ωを検出することができる。
【０１００】
さらに、上記の外力Ｆと共振周波数ｆFとの関係を利用して、３軸角速度検出装置４は、３軸角速度検出振動子２に加わったｘ（ｙ）軸方向の加速度を検出できる。更に、３軸角速度検出装置４は、振動アーム１１〜１４が駆動振動している定常状態において３軸角速度検出振動子２に加わるｘ（ｙ）軸方向を回転軸とする回転の角速度ωを検出することができる。
【０１０１】
本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４によれば、３軸角速度検出振動子２に加わる３軸角速度と、３軸角速度検出振動子２に３軸方向に加わる加速度とを検出することができる。このため、角速度を検出する部品と加速度を検出する部品をそれぞれ用意する必要がなく、検出装置の部品を減らすことができる。
【０１０２】
第１の実施の形態の変形例によれば、振動アーム１１〜１４および検出アーム２１〜２４にスリットＳを有することから、第１の実施の形態に比べて更に検出感度が優れ、１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供することができる。
【０１０３】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【０１０４】
既に述べた第１の実施の形態およびその変形例の説明においては、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間及び検知電極２０１と検知電極２０２間において下部電極３０１と圧電体膜３０２が分離している例を示した。しかし、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間や検知電極２０１と検知電極２０２間において下部電極３０１や圧電体膜３０２が連続していてもよい。対向する電極間の難エッチング物質である圧電体膜３０２を切断しないことにより、３軸角速度検出装置４を微細化することができる。
【０１０５】
さらに別の実施形態として、図２１に示すように、検知電極２０１および検知電極２０２とは別の検知電極２０３を検知電極２０１と検知電極２０２の間に配置しても良い。この場合には、例えば、検知電極２０１および検知電極２０２は、図２０で説明したように、ｚ軸方向の動きを検知する検知電極として作用する。また、検知電極２０３は、図１９で説明したように、ｘ（ｙ）軸方向の動きを検知する検知電極として作用する。このように、検知電極を分離することによって、検出後の信号処理が簡単化されるという利点がある。
【０１０６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の３軸角速度検出装置は、角速度センサや、スチールカメラ、ビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角度センサ、モーションセンサに利用可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１…３軸角速度検出システム
２…３軸角速度検出振動子
４…３軸角速度検出装置
１１，１２，１３，１４…振動アーム
２１，２２，２３，２４…検出アーム
３１，３２，３３，３４…連結部
４０…基板
４０ａ,４０ｃ…シリコン膜
４１、４２、４０ｂ…酸化シリコン膜
４５…保護膜
５０…空洞
７１，７２，７３，７４…振動参照電極
１０１…第１印加電極
１０２…第２印加電極
１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２，１４１，１４２…駆動電極
２０１，２０２,２０３…検知電極
２１１，２２１，２３１，２４１…検出電極
３０１、３１１…下部電極
３０２、３１２…圧電体膜
３０３、３１３…上部電極
６００…検出回路
６１０…駆動回路
６２０…検知回路
６２１、６２２…電流アンプ
６２３…差動アンプ
６３０…検波回路
６３１…同期検波
６３２…平滑回路
６４０…振動量検出回路
６４１…電流アンプ
６４２…ＡＧＣ
６５０…周波数カウンタ
ω…角速度
ＳF…振動信号
ＳT…検知信号
Ｓ４１、Ｓ４２…検出信号
Ｓ…スリット
Ｖｄ…駆動電圧
Ｖｒ…参照電圧
ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４,ｆz…コリオリ力
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムに係り、特にコリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出する３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料を用いた角速度検出装置として、音片型、音叉型など様々な形状の振動式角速度検出装置が提案され実用化されている。特に、音叉型の振動式角速度検出装置はＱ値が高く、安定した振動と高い感度が得られる。これらの角速度検出装置は、１つの振動子につき１軸方向の角速度のみ検出可能である。
【０００３】
例えば、アーム（振動子）を振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極と、アームに加えられた角速度に応じた検出信号を出力する検出電極とが、同一のアーム上に形成された音叉型振動式角速度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
上記のような角速度検出装置では、アームの振動方向が水平方向の場合に検出方向は垂直方向であり、アームに角速度が加わらない状態では、検出電極から検出信号は出力されない。そして、アームが水平方向に振動している状態でアームに角速度が加えられると、コリオリ力によりアームが垂直方向に振動し、この垂直方向の振動に基づき角速度が検出される。
【０００５】
しかしながら、実際にはプロセスばらつき等に起因して、僅かながら水平方向からずれた方向に角速度検出装置のアームが振動する。このため、垂直方向の成分が存在するので、アームに角速度が加えられていない状態でも検出電極からアームに角速度が加わっているように検出信号が出力される。このような、アームの振動方向が所定の方向からずれたために検出電極から出力される検出信号を、以下において「振動ノイズ」という。
【０００６】
振動ノイズが発生した状態でアームに角速度を加えると、振動ノイズと角速度による信号が加算された検出信号が検出電極から出力される。このため、振動ノイズが大きいとＳ／Ｎ比が劣化し、感度が低下する。
【０００７】
一方、検出する運動の自由度に多軸化が求められるようになり、直交する３軸の各成分（角速度）を検出する角速度センサが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
特許文献２では、１つの振動子で３軸方向の角速度を検出する角速度センサが提案されている。しかしながら、３回対称を有する構造で、１２０°異なる方向に延在する構造を備えているため、例えば水晶のような３回対称を有する単結晶圧電体以外の材料では、作成が困難である。また、ｘ軸、ｙ軸の検出信号は異なっており、規格化するためには複雑な信号処理が必要である。
【０００９】
例えば、振動子により３軸化を図ろうとする場合、角速度の検出原理であるコリオリ力を３軸全てについて発生させるため、素子は、駆動変位速度として少なくとも直交する２方向成分を有する必要がある。これを実現する技術として、１つの慣性体系を、時間的にも直交した２相駆動により円運動させる方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１０】
非特許文献１の方式では、３軸の角速度センサが提案されているが、振動子を円運動させる必要があり、また、異なる成分を分離することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−３５１８７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１７５３８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】田村英樹、市村敏也、富川義朗、「２相駆動による３軸角速度検出ジャイロセンサ」、超音波ＴＥＣＮＯ、２００２.１−２、ｐｐ．６−１３（２００２−０１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様によれば、正方形状に配置された４本の振動アームと、前記正方形状の頂点より対角線方向に伸びた４本の検出アームとを備え、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出する３軸角速度検出振動子が提供される。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、空洞を有する基板と、正方形状に配置された４本の振動アームと、一方の端部が前記正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アームとを備え、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出する３軸角速度検出装置が提供される。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、空洞を有する基板と、正方形状に配置された４本の振動アームと、一方の端部が前記正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アームと、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出する検出回路とを備える３軸角速度検出システムが提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成図。
【図２】図１のI−I線に沿う模式的断面構造図。
【図３】図１のII−II線に沿う模式的断面構造図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムを説明する模式的ブロック構成図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムの回路構成例を示す模式的ブロック構成図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムの検出信号の波形例を示すグラフ。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その１）。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その２）。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その３）。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その４）。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の製造方法の一工程を説明する模式的ブロック構成図（その５）。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。
【図１７】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出素子および３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成図。
【図１８】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置において、定常振動状態を示す模式的平面パターン構成図。
【図１９】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置において、ｚ軸方向を中心とする角速度が加わったｚ軸検出状態を示す模式的平面パターン構成図。
【図２０】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置において、（ａ）ｘ（ｙ）軸方向を中心とする角速度が加わったｘ（ｙ）軸検出状態を示す模式的側面図、（ｂ）（ａ）に対応する模式的鳥瞰図。
【図２１】本発明の別の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態およびその変形例を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２０】
又、以下に示す第１の実施の形態およびその変形例は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成は、図１に示すように表され、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図２に示すように表され、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図３に示すように表される。
【００２２】
（３軸角速度検出振動子）
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２は、図１に示すように、正方形状に配置された４本の振動アーム１１〜１４と、正方形状の頂点より対角線方向に伸びた４本の検出アーム２１〜２４とを備え、４本の振動アーム１１〜１４の振動によって生じる４本の検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検知して、４本の振動アーム１１〜１４に加わった３軸角速度を検出する。
【００２３】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２においては、振動アーム１１〜１４の振動する面に垂直なｚ軸を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合には、回転軸のｚ軸方向及び駆動振動方向（ｘ−ｙ面）と垂直方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００２４】
また、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２においては、振動アーム１１〜１４の長軸方向（ｘ軸、ｙ軸）を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合には、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００２５】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２においては、４本の振動アームは、振動アーム１１と、振動アーム１１の端部と連結部３１を介して直角に連結された振動アーム１２と、振動アーム１２の端部と連結部３２を介して直角に連結され、振動アーム１１に対向して配置された振動アーム１３と、振動アーム１３の端部と連結部３３を介して直角に連結され、かつ振動アーム１１の他方の端部と連結部３４を介して直角に連結され、振動アーム１２に対向して配置された振動アーム１４とを備える。
【００２６】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出振動子２においては、４本の検出アームは、連結部３１に一方の端部が接続された検出アーム２１と、連結部３２に一方の端部が接続された検出アーム２２と、連結部３３に一方の端部が接続された検出アーム２３と、連結部３４に一方の端部が接続された検出アーム２４とを備える。
【００２７】
（３軸角速度検出装置）
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４は、図１に示すように、空洞５０を有する基板４０と、正方形状に配置された４本の振動アーム１１〜１４と、一方の端部が正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が基板４０の空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アーム２１〜２４とを備え、４本の振動アーム１１〜１４の振動によって生じる４本の検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検知して、４本の振動アーム１１〜１４に加わった３軸角速度を検出する。
【００２８】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４においては、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、回転軸のｚ軸方向及び駆動振動方向（ｘ−ｙ面）と垂直方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００２９】
また、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４においては、振動アーム１１〜１４の長軸方向（ｘ軸、ｙ軸）を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００３０】
振動アーム１１〜１４は、外部からの駆動信号入力により駆動振動方向に振動（以下において「駆動振動」という。）する。「駆動振動方向」は、図１において紙面に平行で、かつ振動アーム１１〜１４の延伸する長軸方向に対して垂直な方向である。具体的には、図１において、振動アーム１１、１３の駆動振動方向は、ｙ軸方向、振動アーム１２、１４の駆動振動方向は、ｘ軸方向である。つまり、駆動振動方向を含む駆動振動面はｘ−ｙ平面である。また、駆動振動面の法線方向をｚ軸方向とする。
【００３１】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４は、３軸（ｘ、ｙ、ｚ）方向に回転する角速度を検出するための構成として、３軸角速度検出振動子２の検出アーム２１〜２４の他端を基板４０の空洞５０を囲む周辺部に固定し、振動アーム１１〜１４と検出アーム２〜２４を分離している。
【００３２】
図１に示したように、振動アーム１１の連結部３１と連結部３４に近い領域に、それぞれ駆動電極１１１と駆動電極１１２が配置されている。同様に、振動アーム１２の連結部３１と連結部３２に近い領域に、それぞれ駆動電極１２１と駆動電極１２２が配置され、振動アーム１３の連結部３２と連結部３３に近い領域に、それぞれ駆動電極１３１と駆動電極１３２が配置され、振動アーム１４の連結部３４と連結部３３に近い領域に、それぞれ駆動電極１４１と駆動電極１４２が配置されている。
【００３３】
駆動電極１１１、１１２は、振動アーム１１上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２を有する。同様に、駆動電極１２１、１２２は、振動アーム１２上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２を有し、駆動電極１３１、１３２は、振動アーム１３上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２を有し、駆動電極１４１、１４２は、振動アーム１４上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２を有する。
【００３４】
図１に示すように、振動アーム１１〜１４の「内側」に第１印加電極１０１が配置され、内側と対向する面側（以下において「外側」という）に第２印加電極１０２が配置される。
【００３５】
また、検出アーム２１上の固定端Ａに近い領域に検出電極２１１が配置され、検出アーム２２上の固定端Ｂに近い領域に検出電極２２１が配置され、検出アーム２３の固定端Ｃに近い領域に検出電極２３１が配置され、検出アーム２４上の固定端Ｄに近い領域に検出電極２４１が配置されている。検出アーム２１〜２４上に配置される検知電極２１１〜２１４は、検出アーム２１〜２４を見て必ず同じ側に検知電極２０１または検知電極２０２が設けられている。したがって、ｚ軸を中心に、検出アーム２１〜２４がゆがむと、必ず検知電極２０１は同じ側のゆがみを検出する。同様に、検知電極２０２も、必ず同じ側のゆがみを検出する。
【００３６】
更に、図１では、煩雑となるため図示を省略しているが、連結部３１〜３４の付近に振動参照電極７１〜７４が配置されている（後述する図４参照）。
【００３７】
図２に、図１のＩ−Ｉ線に沿った振動アーム１２、１４の断面構造を示す。図２に示すように、振動アーム１２、１４上の側面に近い領域に、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２が対向して配置されている。第１印加電極１０１と第２印加電極１０２は、同一の層構造である。
【００３８】
図３に、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った検出アーム２１の断面構造を示す。図３に示すように、検出アーム２１上の側面に近い領域に、同一の層構造を有する検知電極２０１、２０２が対向して配置されている。図示を省略するが、検出アーム２２、２３、２４の構造も検出アーム２１の構造と同様である。
【００３９】
図１〜図３に示すように、振動アーム１１〜１４および検出アーム２１〜２４は、基板４０に形成された空洞５０内に配置された３軸角速度検出振動子２を構成する。後述するように、基板４０をエッチングして空洞５０を形成する際に基板４０の一部を残すことにより、振動アーム１１〜１４および検出アーム２１〜２４は形成される。
【００４０】
基板４０には、シリコン基板等が採用可能である。例えば振動アーム１１〜１４および検出アーム２１〜２４の基板４０の幅ｗは１５０μｍ程度であり、膜厚ｄは１５０μｍ程度である。
【００４１】
図２および図３に示すように、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検知電極２０１、２０２は、それぞれ下部電極３０１、圧電体膜３０２、上部電極３０３の積層体である。下部電極３０１には、膜厚２００ｎｍ程度の白金（Ｐｔ）／チタン（Ｔｉ）の積層膜等が採用可能であり、上部電極３０３には、膜厚２００ｎｍ程度の酸化イリジウム（ＩｒＯ2）／イリジウム（Ｉｒ）の積層膜や金（Ａｕ）膜等が採用可能である。圧電体膜３０２には、膜厚１〜３μｍ程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜やランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜等が採用可能である。ＰＺＴ膜やＰＬＺＴ膜はゾルゲル法等により形成される。
【００４２】
第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検知電極２０１、２０２は、基板４０上に形成された酸化シリコン膜４１上に配置され、周囲を保護膜４５で覆われている。酸化シリコン膜４１は、例えば基板４０の表面を熱酸化して形成される。保護膜４５は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）膜と酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜の積層膜である。
【００４３】
駆動信号として駆動電圧Ｖｄが第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に印加されると、逆圧電効果により第１印加電極１０１と第２印加電極１０２の圧電体膜３０２の形状が変形する。例えば、圧電体膜３０２はプラス電圧が印加されるとｙ軸方向に縮み、マイナス電圧が印加されるとｙ軸方向に伸びる。
【００４４】
このため、振動アーム１１〜１４の側面近くに配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２に極性の異なる電圧を印加することにより、振動アーム１１〜１４の外側が伸びる場合に内側が縮み、振動アーム１１〜１４の内側が伸びる場合に外側が縮む。つまり、振動アーム１１〜１４は、延伸する長軸方向に対して垂直な方向に屈曲する（後述する図１８参照）。
【００４５】
一方、検出アーム２１〜２４に形状の変化が生じると、検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２の形状が変形し、圧電効果により検出電極２１１〜２４１から電気信号が検出信号として出力される。検出信号は、圧電効果により検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２に生じる分極を検出して検出電極２１１〜２４１が出力する電流信号若しくは電圧信号である。
【００４６】
（３軸角速度検出システム）
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムを説明する模式的ブロック構成は、図４に示すように表される。また、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システムの回路構成例を示す模式的ブロック構成は、図５に示すように表され、検出信号の波形例は、図６に示すように表される。
【００４７】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システム１は、図４に示すように、空洞５０を有する基板４０と、正方形状に配置された４本の振動アーム１１〜１４と、一方の端部が正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が基板４０の空洞５０を囲む周辺部に固定された４本の検出アーム２１〜２４と、４本の振動アーム１１〜１４の振動によって生じる４本の検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検知して、４本の振動アーム１１〜１４に加わった３軸角速度を検出する検出回路６００とを備える。
【００４８】
第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システム１において、検出回路６００が、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、回転軸のｚ軸方向及び駆動振動方向（ｘ−ｙ面）と垂直な方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００４９】
また、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出システム１において、検出回路６００が、振動アーム１１〜１４の長軸方向（ｘ軸、ｙ軸）を回転軸として振動アーム１１〜１４が回転した場合に、振動アーム１１〜１４の振動する面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸方向に働くコリオリ力により発生する振動アーム１１〜１４の検出振動が検出アーム２１〜２４に伝達して生じる検出アーム２１〜２４の形状の歪みを検出する。
【００５０】
また、検出回路６００が出力する駆動電圧Ｖｄによって、振動アーム１１〜１４が駆動振動方向に沿って振動する。
【００５１】
駆動電圧Ｖｄは、図４に示した検出回路６００の駆動回路６１０から駆動電極１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２に出力される。駆動回路６１０は、駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄを出力する。駆動振動周波数ｆｄは、３軸角速度検出振動子２の駆動振動方向の共振周波数に設定される。
【００５２】
また、振動アーム１１〜１４に３軸角速度が加えられたことによって検知電極２０１、２０２に生じる分極に基づいて、検出電極２１１〜２４１から検出回路６００の検知回路６２０にそれぞれ検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３、Ｓｄ４が出力される。ここで、各検出アーム２１〜２４から、検知電極２０１の検出信号および検知電極２０２の検出信号、それぞれが検知回路６２０に入力される。
【００５３】
振動参照電極７１、７２、７３、７４は、図２、図３に示した駆動電極１１１、１４１、検出電極２１１と同様に、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３の積層構造を有する。そして、駆動振動に起因して生じる振動アーム１１〜１４の形状変化に比例する参照電圧Ｖｒが、振動参照電極７１〜７４に発生する。つまり、参照電圧Ｖｒの大きさは、駆動振動の大きさに比例する。参照電圧Ｖｒは、振動参照電極７１〜７４から検出回路６００の振動量検出回路６４０に出力される。振動量検出回路６４０は、参照電圧Ｖｒに基づき、駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFを駆動回路６１０に出力する。
【００５４】
以下に、３軸角速度検出システム１の動作を説明する。
【００５５】
駆動回路６１０により、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄが印加されると、既に述べたように第１印加電極１０１及び第２印加電極１０２の圧電体膜３０２が変形し、振動アーム１１〜１４は屈曲する。即ち、振動アーム１１〜１４は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動方向に沿って駆動振動する。
【００５６】
駆動振動においては、振動アーム１１〜１４のそれぞれの第１印加電極１０１に同一極性の電圧が印加され、かつ第１印加電極１０１に印加される電圧と逆の極性の電圧が第２印加電極１０２に印加される。このため、振動アーム１２と振動アーム１４のいずれか一方がｘ軸方向に屈曲する場合には、他方が−ｘ軸方向に屈曲する。同様に、振動アーム１１と振動アーム１３のいずれか一方がｙ軸方向に屈曲する場合には、他方が−ｙ軸方向に屈曲する
つまり、振動アーム１１と振動アーム１３は、互いの両端部が振動アーム１２および１４で連結されて、且つ同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が互いに逆向きである３軸角速度検出振動子２の一部を構成し、同様に、振動アーム１２と振動アーム１４は、互いの両端部が振動アーム１１および１３で連結されて、且つ同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が互いに逆向きである３軸角速度検出振動子２の一部を構成する。この３軸角速度検出振動子２は、駆動振動周波数ｆｄで駆動振動する。
【００５７】
振動アーム１２と振動アーム１４の駆動方向が逆方向であり、振動アーム１１と振動アーム１３の駆動方向が逆方向であるため、振動アーム１１〜１４が駆動振動のみしている状態では、連結部３１〜３４の各中心部、つまり連結部３１〜３４と検出アーム２１〜２４との接続点は振動しない不動点である。このため、振動アーム１１〜１４が駆動振動のみしている状態では、検出アーム２１〜２４に形状の歪みは発生せず、検出電極２１１〜２４１は検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３、Ｓｄ４を出力しない。
【００５８】
振動アーム１１〜１４が駆動振動している状態で、駆動振動面（ｘ−ｙ面）に垂直なｚ軸を回転軸として３軸角速度検出振動子２が回転すると、振動アーム１１〜１４はコリオリ力を受ける。即ち、３軸角速度検出振動子２に加えられた回転の回転軸方向（ｚ軸方向）及び駆動振動方向（ｘ軸方向）に垂直な方向（ｙ軸方向）、或いは駆動振動方向（ｙ軸方向）に垂直な方向（ｘ軸方向）、つまり振動アーム１１〜１４の長軸方向に、振動アーム１１〜１４はコリオリ力をそれぞれ受ける。
【００５９】
駆動振動において、同一時刻の振動アーム１１と振動アーム１３および振動アーム１２と振動アーム１４の駆動方向は互いに逆向きである。このため、振動アーム１１、１３の受けるコリオリ力の向きは、同一時刻において互いに逆向きであり、同様に振動アーム１２、１４の受けるコリオリ力の向きは、同一時刻において互いに逆向きである。
【００６０】
振動アーム１１〜１４にコリオリ力が働くと、検出アーム２１〜２４に形状の歪みが発生する。検出アーム２１〜２４に形状の歪みが発生すると、検知電極２０１、２０２の圧電体膜３０２の形状が変形し、圧電体膜３０２で分極が生じる。検出電極２１１〜２４１は、圧電体膜３０２で生じた分極により検知電極２０１、２０２間に流れる電流（検出電流）或いは検知電極２０１、２０２間に発生する電圧（検出電圧）を検出する。検出電極２１１、２２１は、検出電流或いは検出電圧を検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２として検出回路６００に出力する。同様に、検出電極２３１、２４１は、検出電流或いは検出電圧を検出信号Ｓｄ３、Ｓｄ４として検出回路６００に出力する。
【００６１】
検出回路６００は、検出電極２１１〜２４１が出力する検出信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４に基づき、振動アーム１１〜１４に加えられた角速度を検出する。検出回路６００の構成例の一部を図５に示す。図５においては、検出電極２１１、２２１が出力する検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に基づく信号処理系を主として説明する。他の検出電極２３１、２４１が出力する検出信号Ｓｄ３、Ｓｄ４に基づく信号処理系についても図５と同様である。
【００６２】
駆動回路６１０は駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄを出力するが、駆動振動周波数ｆｄは、振動量検出回路６４０から駆動回路６１０に出力される駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFを参照して設定される。振動量検出回路６４０は、図５に示すように、電流アンプ６４１、自動利得制御回路（ＡＧＣ）６４２を有する。振動アーム１１、１２の駆動振動により振動参照電極７１、７２に発生する参照電圧Ｖｒは、電流アンプ６４１を介してＡＧＣ６４２に入力される。ＡＧＣ６４２の出力が、駆動振動の大きさを示す振動信号ＳFとして駆動回路６１０に出力される。
【００６３】
駆動回路６１０は、振動信号ＳFに基づき、駆動振動の大きさが最大になる駆動振動周波数ｆｄを３軸角速度検出振動子２の共振周波数として設定し、駆動電圧Ｖｄの駆動振動周波数ｆｄが決定される。つまり、駆動振動の大きさが振３軸角速度検出振動子２から駆動回路６１０にフィードバックされて、駆動振動周波数ｆｄが設定される。
【００６４】
検知回路６２０は、図５に示すように、電流アンプ６２１、６２２及び差動アンプ６２３を有する。検出電極２１１に接続する電流アンプ６２１に検出信号Ｓｄ１が入力され、検出電極２２１に接続する電流アンプ６２２に検出信号Ｓｄ１が入力される。電流アンプ６２１の出力と電流アンプ６２２の出力は差動アンプ６２３に入力され、検出信号Ｓｄ１と検出信号Ｓｄ２を重ねた信号が検知信号ＳTとして検波回路６３０に送信される。ここで、例えば、電流アンプ６２１には、各検出アーム２１〜２４の検知電極２０１の検出信号Ｓ４１が入力される。また、電流アンプ６２２には、各検出アーム２１〜２４の検知電極２０２の検出信号Ｓ４２が入力される。それぞれの電流アンプ６２１および６２２に入力される信号は、足し合わされる。
【００６５】
検出信号Ｓｄ１、検出信号Ｓｄ２及び検知信号ＳTの例を、図６に示す。検出信号Ｓｄ３、Ｓｄ４についても図６と同様である。図６に示した信号Ｓｗは３軸角速度検出振動子２の振動を示し、検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２は検出アーム２１、検出アーム２２の検出電圧をそれぞれ示す。図６に示すように、検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２は３軸角速度検出振動子２の振動周波数で振動する。検出信号Ｓｄ１と検出信号Ｓｄ２を重ね合わせることによって検知信号ＳTは増幅され、同時に検出信号Ｓｄ１、Ｓｄ２に含まれるノイズが除去される。そのため、圧電体膜３０２の形状変化をより感度良く検知することができる。
【００６６】
検波回路６３０は、同期検波６３１及び平滑回路６３２を有する。検波回路６３０は、検知回路６２０から送信される検知信号ＳTを、振動量検出回路６４０から振動信号ＳFで送信される駆動振動周波数ｆｄを用いた同期検波することにより、角速度ωを算出する。算出された角速度ωは、出力信号Ｄ１で検波回路６３０から出力される。
【００６７】
なお、検出回路６００を基板４０と異なる基板上に形成してもよいし、検出回路６００を基板４０に形成してもよい。３軸角速度検出振動子２と検出回路６００を基板４０上に形成して１チップ化することにより、３軸角速度検出装置４を小型化することができる。
【００６８】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４では、駆動振動する振動アーム１１〜１４と、コリオリ力により振動する検出アーム２１〜２４が異なり、駆動振動は検出アーム２１〜２４に伝わらない。また、３軸角速度検出装置４は、振動アーム１１と１３及び振動アーム１２と１４が互いに逆方向に振動する。このため、駆動振動の不動点である連結部３１〜３４に接続する検出アーム２１〜２４に駆動振動が伝達されにくい。
【００６９】
（３軸角速度検出装置の製造方法）
図７〜図１１を参照して、第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４の製造方法を説明する。図７〜図１１は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線方向に沿った工程断面図である。なお、以下に述べる３軸角速度検出装置４の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００７０】
（イ）まず、図７に示すように、厚さ７００μｍ程度のシリコン基板である基板４０の表面上に酸化シリコン膜４１を形成し、裏面上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。
【００７１】
（ロ）次に、図８に示すように、基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に、下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３を順に積層する。例えば、スパッタ法により、膜厚２００ｎｍ程度のＰｔ／Ｔｉ積層膜を下部電極層３１１として形成する。下部電極層３１１がＴｉ膜を下層とするＰｔ／Ｔｉ積層膜である場合に、Ｔｉ膜とシリコン基板との密着性が良くない。このため、基板４０上に酸化シリコン膜４１を形成して、基板４０と下部電極層３１１との密着性を向上させている。下部電極層３１１上に、圧電体膜層３１２として例えばＰＬＺＴ膜をゾルゲル法等により形成する。圧電体膜層３１２上に、スパッタ法によりＩｒＯ2膜を下層とするＩｒＯ2／Ｉｒの積層膜を上部電極層３１３として形成する。
【００７２】
（ハ）次に、フォトリソグラフィ技術やエッチング等により、所望のパターンになるように下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３をパターニングして、図９に示すように、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３が積層された駆動電極１１１、１１２を形成する。図示を省略するが、駆動電極１１１、１１２と同様にして、駆動電極１２１、１２２や検出電極２１１、２２１も同時に形成される。その後、アルミナ膜と酸化シリコン膜の積層膜を保護膜４５として全面に形成する。次いで、空洞５０が形成される領域４００の保護膜４５及び酸化シリコン膜４１を除去する。
【００７３】
（ニ）次に、基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をエッチングして、空洞５０を形成する領域の基板４０の裏面を露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによって、３軸角速度検出振動子２が配置される領域である基板４０の裏面の一部を除去する。その結果、振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の裏面が露出される。その後、図１０に示すように、基板４０の裏面にエッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０をプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）法等により形成する。
【００７４】
（ホ）次に、保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜６０をエッチングストッパーとするドライエッチングによって基板４０の表面の一部を除去し、図１１に示すように空洞５０を形成して振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の側面を露出させる。その後、酸化シリコン膜６０を除去する。以上により、図１に示す３軸角速度検出装置４が完成する。
【００７５】
上記では、エッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０を基板４０の裏面に形成する例を説明した。しかし、図１２〜図１６を参照して以下に説明するように、エッチングストッパーとしての絶縁膜を予め基板４０に形成しておいてもよい。なお、図１２〜図１６は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った工程断面図である。
【００７６】
（イ）図１２に示すように、シリコン膜４０ａ、酸化シリコン膜４０ｂ及びシリコン膜４０ｃが積層されたＳＯＩ基板を、基板４０として用意する。そして、基板４０の表面上、即ちシリコン膜４０ｃ上に酸化シリコン膜４１を形成する。更に、基板４０の裏面上、即ちシリコン膜４０ａ上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。
【００７７】
（ロ）図１３に示すように、基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に、下部電極３１１、圧電体膜３１２及び上部電極３１３を順に積層する。例えば、図１０を参照して説明した例と同様に、下部電極３１１として形成したＰｔ／Ｔｉ積層膜上に、圧電体膜３１２としてＰＬＺＴ膜を形成する。そして、圧電体膜３１２上に、ＩｒＯ2膜を下層とするＩｒＯ2／Ｉｒの積層膜を上部電極３１３として形成する。
【００７８】
（ハ）図１４に示すように、下部電極３１１、圧電体膜３１２及び上部電極３１３をパターニングして、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３が積層された第１印加電極１０１、第２印加電極１０２を形成する。図示を省略するが、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２と同様にして、検知電極２０１、２０２も同時に形成される。その後、アルミナ膜と酸化シリコン膜の積層膜を保護膜４５として全面に形成する。次いで、空洞５０が形成される領域４００の保護膜４５及び酸化シリコン膜４１を除去する。
【００７９】
（ニ）基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をフォトリソグラフィ技術等を用いてエッチングし、振動子１０及び空洞５０を形成する領域のシリコン膜４０ａを露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによって、露出したシリコン膜４０ａを除去する。その結果、図１５に示すように、振動子１０が配置される領域及び空洞５０を形成する領域の酸化シリコン膜４０ｂが露出される。
【００８０】
（ホ）保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜４０ｂをエッチングストッパーとするドライエッチングによって、図１６に示すように空洞５０を形成する領域のシリコン膜４０ｃを除去して、振動アーム１１、１２と検出アーム２１、２２の側面を露出させる。その後、空洞５０領域の酸化シリコン膜４０ｂを除去する。以上により、本発明の第１の実施形態に係る３軸角速度検出装置４が完成する。
【００８１】
上記のような本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４の製造方法によれば、駆動振動する振動アーム１１〜１４と検出振動する検出アーム２１〜２４とが異なり、且つ、振動アーム１１〜１４の駆動振動の振動方向と検出アーム２１〜２４の検出振動の振動方向とが異なることにより、振動ノイズによる影響を低減できる３軸角速度検出装置４を提供することができる。
【００８２】
第１の実施の形態およびその変形例によれば、１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供することができる。
【００８３】
（変形例）
第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置の模式的平面パターン構成は、図１７に示すように表される。図１７中に示される３軸角速度検出振動子２は、振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４にスリットＳが形成されている点が、図１中に示される３軸角速度検出振動子２と異なる。スリットＳは、振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４の上面から下面まで貫通する空洞である。
【００８４】
図１中に示した３軸角速度検出振動子２の振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４のようにスリットの無いアームと比較して、スリットＳのあるアームは変形しやすい。このため、図１７中に示した３軸角速度検出振動子２では、図１中に示した３軸角速度検出振動子２よりも、３軸角速度が加えられた場合の振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４の形状変化が大きく、検出信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４が大きくなる。その結果、３軸角速度検出装置４の角速度検出感度が向上する。
【００８５】
１つのアーム上に駆動電極と検出電極が並べて配置される角速度検出装置では、アーム上に電極が配置されていない領域が少ない。このため、スリットＳを形成することは困難である。しかし、第１の実施形態に係る３軸角速度検出装置４では駆動電極と検出電極が異なるアーム上に配置されるため、振動アーム１１〜１４及び検出アーム２１〜２４にスリットＳを形成することが可能である。
【００８６】
（３軸角速度検出装置の動作モード）
３軸角速度検出動作は、図１に示す第１の実施の形態と同様であるが、各振動アーム１１〜１４および各検出アーム２１〜２４の変形状態がより柔軟な、図１８に示される第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置４を例として、３軸角速度検出装置４の動作モードを説明する。
【００８７】
第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置４において、定常振動状態を示す模式的平面パターン構成は、図１８に示すように表される。
【００８８】
対向する振動アーム１２,１４は、ｘ−ｙ平面上において、図１８に示すように、ｘ軸方向に位相が１８０°ずれた振動モード、即ち＋ｘ軸方向および−ｘ軸方向に振動する。同様に、振動アーム１１,１３は、ｘ−ｙ平面上において、図１８に示すように、ｙ軸方向に位相が１８０°ずれた振動モード、即ち＋ｙ軸方向および−ｙ軸方向に振動する。
【００８９】
一方、第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置４において、ｚ軸方向を中心とする角速度ωが加わったｚ軸検出状態を示す模式的平面パターン構成は、図１９に示すように表される。
【００９０】
ｚ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１２,１４は、ｘ−ｙ平面上において、図１９に示すように、−ｙ軸方向のコリオリ力ｆ３および＋ｙ軸方向のコリオリ力ｆ１を受ける。同様に、振動アーム１１,１３は、ｘ−ｙ平面上において、図１９に示すように、−ｘ軸方向のコリオリ力ｆ２および＋ｙ軸方向のコリオリ力ｆ４を受ける。すなわち、ｚ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、各振動アームには、コリオリ力が９０°ずれた方向に働き、検出アーム２１〜２４が変形する。
【００９１】
さらに、第１の実施の形態の変形例に係る３軸角速度検出装置４において、ｙ軸方向を中心とする角速度ωが加わったｙ軸検出状態を示す模式的側面構造は、図２０（ａ）に示すように表される。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に対応する鳥瞰図は、図２０（ｂ）に示すように表される。
【００９２】
ｙ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１２,１４は、ｚ−ｘ平面上において、図２０に示すように、＋ｚ軸方向のコリオリ力ｆｚおよび−ｚ軸方向のコリオリ力−ｆｚを受ける。同時に、振動アーム１１,１３は、ｚ−ｘ平面上において、図２０に示すように、変形される。すなわち、ｙ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１２,１４には、＋ｚ軸方向のコリオリ力ｆｚおよび−ｚ軸方向のコリオリ力−ｆｚが働き、検出アーム２１〜２４が変形する。
【００９３】
ｘ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１１,１３は、ｚ−ｙ平面上において、＋ｚ軸方向のコリオリ力ｆｚおよび−ｚ軸方向のコリオリ力−ｆｚを受ける。同時に、振動アーム１２,１４は、ｚ−ｙ平面上において、変形される。すなわち、ｘ軸方向を中心とする角速度ωが加わると、対向する振動アーム１１,１３には、＋ｚ軸方向のコリオリ力ｆｚおよび−ｚ軸方向のコリオリ力−ｆｚが働き、検出アーム２１、２２、２３、２４が変形する。
【００９４】
外力Ｆにより３軸角速度検出振動子２にｚ軸方向の加速度が加わった場合における、３軸角速度検出振動子２の共振周波数ｆFと外力Ｆとの関係は、例えば以下の通りである。
【００９５】
振動アームに外力Ｆを加えたときの共振周波数ｆFは、以下の式（１）で表される。
【００９６】
ｆF＝ｆ0｛１−（ＫＬ2Ｆ）／（２ＥＩ）｝1/2 （１）
式（１）で、ｆ0は、外力が加えられていない状態での振動アームの共振周波数、Ｋは、基本波モードによる定数、Ｌは、振動アームの長さ、Ｅは、縦弾性定数、Ｉは、断面２次モーメント（Ｉ＝ｄｗ3／１２）をそれぞれ示す。
【００９７】
振動アームの厚さをｄ、幅をｗ、断面積Ａ＝ｄ×ｗとすると、式（２）が得られる。
【００９８】
ｆF＝ｆ0（１−ＦS）1/2 （２）
ただし、式（２）において、式（３）、式（４）を用いている：
ＦS＝１２（Ｋ／Ｅ）（Ｌ／ｗ）2 （３）
σ＝Ｆ／（２Ａ） （４）
以上から、外力Ｆと共振周波数ｆFの関係は以下のようになる。即ち、３軸角速度検出振動子２に作用する外力Ｆを圧縮方向の時が負、伸張方向（引張り方向）の時を正とすると、外力Ｆが圧縮力では共振周波数ｆFが低くなり、外力Ｆが伸張（引張り）力では共振周波数ｆFが高くなる。また、応力感度ＦSは、振動アームのＬ／ｗの２乗に比例する。
【００９９】
上記の外力Ｆと共振周波数ｆFとの関係を利用して、３軸角速度検出装置４は、３軸角速度検出振動子２に加わったｚ軸方向の加速度を検出できる。更に、３軸角速度検出装置４は、振動アーム１１〜１４が駆動振動している定常状態において３軸角速度検出振動子２に加わるｚ軸方向を回転軸とする回転の角速度ωを検出することができる。
【０１００】
さらに、上記の外力Ｆと共振周波数ｆFとの関係を利用して、３軸角速度検出装置４は、３軸角速度検出振動子２に加わったｘ（ｙ）軸方向の加速度を検出できる。更に、３軸角速度検出装置４は、振動アーム１１〜１４が駆動振動している定常状態において３軸角速度検出振動子２に加わるｘ（ｙ）軸方向を回転軸とする回転の角速度ωを検出することができる。
【０１０１】
本発明の第１の実施の形態に係る３軸角速度検出装置４によれば、３軸角速度検出振動子２に加わる３軸角速度と、３軸角速度検出振動子２に３軸方向に加わる加速度とを検出することができる。このため、角速度を検出する部品と加速度を検出する部品をそれぞれ用意する必要がなく、検出装置の部品を減らすことができる。
【０１０２】
第１の実施の形態の変形例によれば、振動アーム１１〜１４および検出アーム２１〜２４にスリットＳを有することから、第１の実施の形態に比べて更に検出感度が優れ、１つの振動子で、コリオリ力を利用して３軸方向の角速度を検出可能な３軸角速度検出振動子、３軸角速度検出装置および３軸角速度検出システムを提供することができる。
【０１０３】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【０１０４】
既に述べた第１の実施の形態およびその変形例の説明においては、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間及び検知電極２０１と検知電極２０２間において下部電極３０１と圧電体膜３０２が分離している例を示した。しかし、第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間や検知電極２０１と検知電極２０２間において下部電極３０１や圧電体膜３０２が連続していてもよい。対向する電極間の難エッチング物質である圧電体膜３０２を切断しないことにより、３軸角速度検出装置４を微細化することができる。
【０１０５】
さらに別の実施形態として、図２１に示すように、検知電極２０１および検知電極２０２とは別の検知電極２０３を検知電極２０１と検知電極２０２の間に配置しても良い。この場合には、例えば、検知電極２０１および検知電極２０２は、図２０で説明したように、ｚ軸方向の動きを検知する検知電極として作用する。また、検知電極２０３は、図１９で説明したように、ｘ（ｙ）軸方向の動きを検知する検知電極として作用する。このように、検知電極を分離することによって、検出後の信号処理が簡単化されるという利点がある。
【０１０６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の３軸角速度検出装置は、角速度センサや、スチールカメラ、ビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角度センサ、モーションセンサに利用可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１…３軸角速度検出システム
２…３軸角速度検出振動子
４…３軸角速度検出装置
１１，１２，１３，１４…振動アーム
２１，２２，２３，２４…検出アーム
３１，３２，３３，３４…連結部
４０…基板
４０ａ,４０ｃ…シリコン膜
４１、４２、４０ｂ…酸化シリコン膜
４５…保護膜
５０…空洞
７１，７２，７３，７４…振動参照電極
１０１…第１印加電極
１０２…第２印加電極
１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２，１４１，１４２…駆動電極
２０１，２０２,２０３…検知電極
２１１，２２１，２３１，２４１…検出電極
３０１、３１１…下部電極
３０２、３１２…圧電体膜
３０３、３１３…上部電極
６００…検出回路
６１０…駆動回路
６２０…検知回路
６２１、６２２…電流アンプ
６２３…差動アンプ
６３０…検波回路
６３１…同期検波
６３２…平滑回路
６４０…振動量検出回路
６４１…電流アンプ
６４２…ＡＧＣ
６５０…周波数カウンタ
ω…角速度
ＳF…振動信号
ＳT…検知信号
Ｓ４１、Ｓ４２…検出信号
Ｓ…スリット
Ｖｄ…駆動電圧
Ｖｒ…参照電圧
ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４,ｆz…コリオリ力
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方形状に配置された４本の振動アームと、
前記正方形状の頂点より対角線方向に伸びた４本の検出アームと
を備え、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出することを特徴とする３軸角速度検出振動子。
【請求項２】
前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項３】
前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項４】
前記４本の振動アームは、第１振動アームと、前記第１振動アームの端部と第１連結部を介して直角に連結された第２振動アームと、前記第２振動アームの端部と第２連結部を介して直角に連結され、前記第１振動アームに対向して配置された第３振動アームと、前記第３振動アームの端部と第３連結部を介して直角に連結され、かつ前記第１振動アームの他方の端部と第４連結部を介して直角に連結され、前記第２振動アームに対向して配置された第４振動アームとを備えることを特徴とする請求項１に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項５】
前記４本の検出アームは、前記第１連結部に一方の端部が接続された第１検出アームと、前記第２連結部に一方の端部が接続された第２検出アームと、前記第３連結部に一方の端部が接続された第３検出アームと、前記第４連結部に一方の端部が接続された第４検出アームとを備えることを特徴とする請求項２に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項６】
前記振動アーム及び前記検出アームが、圧電体膜を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項７】
前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜であることを特徴とする請求項６に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項８】
空洞を有する基板と、
正方形状に配置された４本の振動アームと、
一方の端部が前記正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アームと
を備え、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出することを特徴とする３軸角速度検出装置。
【請求項９】
前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項８に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１０】
前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項８に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１１】
前記４本の振動アームは、第１振動アームと、前記第１振動アームの端部と第１連結部を介して直角に連結された第２振動アームと、前記第２振動アームの端部と第２連結部を介して直角に連結され、前記第１振動アームに対向して配置された第３振動アームと、前記第３振動アームの端部と第３連結部を介して直角に連結され、かつ前記第１振動アームの他方の端部と第４連結部を介して直角に連結され、前記第２振動アームに対向して配置された第４振動アームとを備えることを特徴とする請求項８に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１２】
前記４本の検出アームは、前記第１連結部に一方の端部が接続された第１検出アームと、前記第２連結部に一方の端部が接続された第２検出アームと、前記第３連結部に一方の端部が接続された第３検出アームと、前記第４連結部に一方の端部が接続された第４検出アームとを備えることを特徴とする請求項１１に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１３】
前記振動アーム及び前記検出アームが、圧電体膜を有することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１４】
前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜であることを特徴とする請求項１３に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１５】
空洞を有する基板と、
正方形状に配置された４本の振動アームと、
一方の端部が前記正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アームと、
前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出する検出回路と
を備えることを特徴とする３軸角速度検出システム。
【請求項１６】
前記検出回路が、前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１５に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項１７】
前記検出回路が、前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１５に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項１８】
前記検出回路が出力する駆動電圧によって、前記振動アームが前記駆動振動方向に沿って振動することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項１９】
前記４本の振動アームは、第１振動アームと、前記第１振動アームの端部と第１連結部を介して直角に連結された第２振動アームと、前記第２振動アームの端部と第２連結部を介して直角に連結され、前記第１振動アームに対向して配置された第３振動アームと、前記第３振動アームの端部と第３連結部を介して直角に連結され、かつ前記第１振動アームの他方の端部と第４連結部を介して直角に連結され、前記第２振動アームに対向して配置された第４振動アームとを備えることを特徴とする請求項１５に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項２０】
前記４本の検出アームは、前記第１連結部に一方の端部が接続された第１検出アームと、前記第２連結部に一方の端部が接続された第２検出アームと、前記第３連結部に一方の端部が接続された第３検出アームと、前記第４連結部に一方の端部が接続された第４検出アームとを備えることを特徴とする請求項１９に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項１】
正方形状に配置された４本の振動アームと、
前記正方形状の頂点より対角線方向に伸びた４本の検出アームと
を備え、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出することを特徴とする３軸角速度検出振動子。
【請求項２】
前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項３】
前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項４】
前記４本の振動アームは、第１振動アームと、前記第１振動アームの端部と第１連結部を介して直角に連結された第２振動アームと、前記第２振動アームの端部と第２連結部を介して直角に連結され、前記第１振動アームに対向して配置された第３振動アームと、前記第３振動アームの端部と第３連結部を介して直角に連結され、かつ前記第１振動アームの他方の端部と第４連結部を介して直角に連結され、前記第２振動アームに対向して配置された第４振動アームとを備えることを特徴とする請求項１に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項５】
前記４本の検出アームは、前記第１連結部に一方の端部が接続された第１検出アームと、前記第２連結部に一方の端部が接続された第２検出アームと、前記第３連結部に一方の端部が接続された第３検出アームと、前記第４連結部に一方の端部が接続された第４検出アームとを備えることを特徴とする請求項２に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項６】
前記振動アーム及び前記検出アームが、圧電体膜を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項７】
前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜であることを特徴とする請求項６に記載の３軸角速度検出振動子。
【請求項８】
空洞を有する基板と、
正方形状に配置された４本の振動アームと、
一方の端部が前記正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アームと
を備え、前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出することを特徴とする３軸角速度検出装置。
【請求項９】
前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項８に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１０】
前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項８に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１１】
前記４本の振動アームは、第１振動アームと、前記第１振動アームの端部と第１連結部を介して直角に連結された第２振動アームと、前記第２振動アームの端部と第２連結部を介して直角に連結され、前記第１振動アームに対向して配置された第３振動アームと、前記第３振動アームの端部と第３連結部を介して直角に連結され、かつ前記第１振動アームの他方の端部と第４連結部を介して直角に連結され、前記第２振動アームに対向して配置された第４振動アームとを備えることを特徴とする請求項８に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１２】
前記４本の検出アームは、前記第１連結部に一方の端部が接続された第１検出アームと、前記第２連結部に一方の端部が接続された第２検出アームと、前記第３連結部に一方の端部が接続された第３検出アームと、前記第４連結部に一方の端部が接続された第４検出アームとを備えることを特徴とする請求項１１に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１３】
前記振動アーム及び前記検出アームが、圧電体膜を有することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１４】
前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜であることを特徴とする請求項１３に記載の３軸角速度検出装置。
【請求項１５】
空洞を有する基板と、
正方形状に配置された４本の振動アームと、
一方の端部が前記正方形状の頂点より対角線方向に伸び、他方の端部が前記基板の前記空洞を囲む周辺部に固定された４本の検出アームと、
前記４本の振動アームの振動によって生じる前記４本の検出アームの形状の歪みを検知して、前記４本の振動アームに加わった３軸角速度を検出する検出回路と
を備えることを特徴とする３軸角速度検出システム。
【請求項１６】
前記検出回路が、前記振動アームの振動する面に垂直な軸を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記回転軸の軸方向及び前記駆動振動方向と垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１５に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項１７】
前記検出回路が、前記振動アームの長軸方向を回転軸として前記振動アームが回転した場合に、前記振動アームの振動する面に垂直方向に働くコリオリ力により発生する前記振動アームの検出振動が前記検出アームに伝達して生じる前記検出アームの形状の歪みを検出することを特徴とする請求項１５に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項１８】
前記検出回路が出力する駆動電圧によって、前記振動アームが前記駆動振動方向に沿って振動することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項１９】
前記４本の振動アームは、第１振動アームと、前記第１振動アームの端部と第１連結部を介して直角に連結された第２振動アームと、前記第２振動アームの端部と第２連結部を介して直角に連結され、前記第１振動アームに対向して配置された第３振動アームと、前記第３振動アームの端部と第３連結部を介して直角に連結され、かつ前記第１振動アームの他方の端部と第４連結部を介して直角に連結され、前記第２振動アームに対向して配置された第４振動アームとを備えることを特徴とする請求項１５に記載の３軸角速度検出システム。
【請求項２０】
前記４本の検出アームは、前記第１連結部に一方の端部が接続された第１検出アームと、前記第２連結部に一方の端部が接続された第２検出アームと、前記第３連結部に一方の端部が接続された第３検出アームと、前記第４連結部に一方の端部が接続された第４検出アームとを備えることを特徴とする請求項１９に記載の３軸角速度検出システム。
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１０−２６６２７６（Ｐ２０１０−２６６２７６Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１６５６２（Ｐ２００９−１１６５６２）
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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