JP2003185441A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産性に優れるとともに、小型で高性能な角
速度センサを提供すること。 【解決手段】 角速度センサ１０１において、第１の面
およびこれとは反対の第２の面により規定される厚みを
有する基板に対して厚みの方向にエッチングを施すこと
により一体成形された、フレーム２０と、振動子１０
と、フレーム２０および振動子１０を連結するためのト
ーションバー３０とを備え、振動子１０は、支持部１１
と、当該支持部１１から基板の面内方向に延出する一対
の第１アーム１２ａ，１２ｂと、面内方向において第１
アーム１２ａ，１２ｂとは反対方向に支持部１１から延
出する一対の第２アーム１３ａ，１３ｂとを有するＨ型
振動子１０であり、Ｈ型振動子１０の第１の面には、Ｈ
型振動子１０の面内振動を励起するための駆動用圧電素
子４０と、Ｈ型振動子１０の面垂直振動を検出するため
の検出用圧電素子５０，６０とを設けることとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転する物体の角
速度を検出するための角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビデオカメラの手振れ検知技術や
カーナビゲーションの自立走行システムにおいて、振動
型ジャイロスコープによる角速度センサが広く使用され
ている。また、角速度センサの分野においては、車両の
走行安定性を向上すべく、車両横滑り防止システムやカ
ーブ走行時の姿勢制御システムなどに採用し得る程度に
まで小型で且つ高精度化および高信頼性化が図られたも
のが強く求められている。

【０００３】圧電材を用いた従来の角速度センサとして
は、振動子の形状に基づいて類別されたビーム型および
音叉型のものがある。図２６は、従来のビーム型角速度
センサの一例である角速度センサ８００を表す。図２６
（ａ）は、角速度センサ８００の斜視図であり、図２６
（ｂ）は、図２６（ａ）の線Ｂ１−Ｂ１に沿った断面図
である。角速度センサ８００は、ビーム形状ないし直方
状の振動子８１０と、これを図外の支持体に対して固定
するための支持ワイヤ８２０と、駆動用圧電素子８３０
と、一対の検出用圧電素子８４０とを備える。振動子８
１０は、エリンバなどの恒弾性金属よりなり、接地され
ている。支持ワイヤ８２０にはピアノ線などが用いられ
る。駆動用圧電素子８３０は、振動子８１０上に形成さ
れた圧電体８３１と、これに積層形成された電極８３２
とからなる。一対の検出用圧電素子８４０は、各々、振
動子８１０において駆動用圧電素子８３０が設けられた
面に対して垂直な面に設けられ、振動子８１０上に形成
された圧電体８４１と、これに積層形成された電極８４
２とからなる。圧電体８３１，８４１には圧電セラミッ
クが用いられる。

【０００４】このような構成の角速度センサ８００にお
いて、駆動用圧電素子８３０に対して所定の交流電圧を
印加すると、圧電体８３１が逆圧電効果によって伸縮
し、これに起因して振動子８１０がＸ軸方向に屈曲振動
する。この状態において、振動子８１０をＺ軸回りに角
速度ωで回転させると、振動子８１０に対して、Ｙ軸方
向にコリオリ力Ｆ（Ｆ＝−２ｍＶω、ｍ；振動子質量、
Ｖ；振動速度）が作用し、振動子８１０はＹ軸方向にも
振動する。すなわち、振動子８１０の屈曲振動は、Ｘ軸
方向およびＹ軸方向の成分を有する合成振動となる。合
成振動する振動子８１０におけるＹ軸に垂直な面の歪み
は、検出用圧電素子８４０の圧電体８４１による圧電効
果に基づいて検出され、検出用圧電素子８４０からは、
コリオリ力Ｆないし角速度ωに比例した出力が得られ
る。

【０００５】図２７は、従来の音叉型角速度センサの一
例である角速度センサ９００を表す。角速度センサ９０
０は、音叉形状の振動子９１０と、駆動用圧電素子９２
０と、一対の検出用圧電素子９３０とを備える。振動子
９１０は、エリンバなどの恒弾性金属より構成され、又
部９１１と、これから延出する２本のアーム９１２，９
１３とからなり、接地されている。アーム９１２は、駆
動板９１２ａおよびこれに直交して接合された検出板９
１２ｂからなり、アーム９１３は、駆動板９１３ａおよ
びこれに直交して接合された検出板９１３ｂからなる。
駆動用圧電素子９２０は、アーム９１２の駆動板９１２
ａに設けられ、圧電体９２１と、これに積層形成された
電極９２２とからなる。一対の検出用圧電素子９３０
は、各々、検出板９１２ｂ，９１３ｂに設けられ、圧電
体９３１と、これに積層形成された電極９３２とからな
る。検出用圧電素子９３０は、駆動用圧電素子９２０に
対して直交に配向するように配設されている。

【０００６】このような構成の角速度センサ９００にお
いて、駆動用圧電素子９２０に対して所定の交流電圧を
印加すると、圧電体９２１の逆圧電効果に基づいて、ア
ーム９１２およびアーム９１３は、Ｘ軸方向において図
中矢印で示すような音叉振動する。このとき、振動子９
１０をＺ軸回りに角速度ωで回転させると、上記の方程
式に基づいて、振動子９１０にはＹ軸方向にコリオリ力
Ｆが作用し、アーム９１２，９１３がＹ軸方向にも振動
する。アーム９１２、，９１３におけるＹ軸に垂直な面
の歪みを、検出用圧電素子９３０による圧電効果に基づ
いて検出することによって、コリオリ力Ｆないし角速度
ωに比例した出力が得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ビーム型角速度センサ８００では、支持ワイヤ８２０を
介して振動子８１０を支持するための支持部材（図示
略）と、当該振動子８１０とを別々に作製し、スポット
溶接や接着材などによってこれらを組立てる必要があっ
た。このように支持構造の形成が煩雑なため、ビーム型
角速度センサ８００は、製造効率の観点より好ましくな
かった。また、従来の音叉型角速度センサ９００では、
駆動板９１２ａ，９１３ａおよび検出板９１２ｂ，９１
３ｂを有する音叉形状の振動子９１０の加工および組立
て、および、振動子９１０に対する圧電素子９２０，９
３０の形成が煩雑であるため、やはり製造効率の観点よ
り好ましくなかった。

【０００８】例えば、特開平２００１−１１６５５１号
公報には、音叉型振動子と支持部とを別々に作製し、こ
れらを接着剤等で固定することによって角速度センサを
組立てる技術が開示されている。また、特開２０００−
２１３９４０号公報および特開２００１−１６５６６４
号公報には、圧電体材料により振動子を形成した角速度
センサが開示されているが、これらの角速度センサで
は、振動子の互いに直交する側面に電極が配設されてい
るため、プロセス工程が多くなり且つ煩雑な工程を経る
必要があるので生産性が低いという問題がある。一方、
特開平７−１５９１８０号公報には、シリコン単結晶の
特定の結晶面を利用して、シリコン基板表面に対して傾
斜する方向への異方性エッチングを施して振動子を形成
するための技術が開示されているが、この手法は、エッ
チングの制御が困難であるため、再現性および生産性の
点で問題を有する。

【０００９】本発明は、このような事情のもとで考え出
されたものであって、上述の従来の問題点を解消ないし
軽減することを課題とし、生産性に優れるとともに、小
型で高性能な角速度センサを提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によって提供され
る角速度センサは、第１の面およびこれとは反対の第２
の面により規定される厚みを有する基板に対して厚みの
方向にエッチングを施すことにより一体成形された、フ
レームと、振動子と、フレームおよび振動子を連結する
ためのトーションバーと、を備える角速度センサであっ
て、振動子は、支持部と、当該支持部から基板の面内方
向に延出する一対の第１アームと、面内方向において第
１アームとは反対方向に支持部から延出する一対の第２
アームとを有するＨ型振動子であり、Ｈ型振動子の第１
の面には、振動子の面内振動を励起するための駆動用圧
電素子と、振動子の面垂直振動を検出するための検出用
圧電素子とが設けられていることを特徴とする。

【００１１】このような構成によると、生産性に優れる
とともに、小型で高性能な角速度センサを得ることがで
きる。本発明に係る角速度センサでは、基板に対してエ
ッチングを施すことにより、フレームと振動子とこれら
を連結するトーションバーとが一体成形されている。し
たがって、例えばシリコン基板に対する反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）を用いたマイクロマシニング技術に
より、フレーム、振動子およびトーションバーからなる
微小立体構造を一体成形することができる。そして、シ
リコンウエハにおいて、各部位のエッチング加工を複数
の角速度センサ形成部位に対して行うバッチ処理によっ
て、角速度センサの大量生産が可能となり、生産性を向
上させることができる。また、本発明における駆動用圧
電素子および検出用圧電素子は、全て、振動子の第１の
面に対して設けられている。そのため、駆動用圧電素子
および検出用圧電素子は、蒸着やスパッタリングや印刷
などの成膜技術をＨ型振動子の一面のみに対して行うこ
とにより、形成できる。すなわち、Ｈ型振動子の第１の
面以外の側面等に圧電膜や電極を形成する必要はなく、
比較的簡易なプロセスで角速度センサを作製可能である
ため、角速度センサの生産性および信頼性の向上が図ら
れる。更に、Ｈ型振動子では、ビーム型振動子や音叉型
振動子ほど振動に影響を与えることなく振動子の不動点
を容易に支持することができる。そのため、振動子に作
用するコリオリ力の検出において、Ｈ型振動子は、ビー
ム型振動子や音叉型振動子よりも感度よく歪むことがで
きる。このように、本発明によると、半導体加工技術を
ベースとしたマイクロマシニング技術によって、小型で
高性能な角速度センサを、生産性よく製造することが可
能なのである。

【００１２】好ましくは、Ｈ型振動子は、アーム延出方
向に対して平行であって互いに直交する２つの対称面を
有する形状とされている。このような対称的な形状によ
って、Ｈ型振動子において、より良好な性能を確保する
ことができる。

【００１３】好ましくは、駆動用圧電素子は第１アーム
に設けられ、検出用圧電素子は第２アームに設けられて
いる。或いは、駆動用圧電素子は、一対の第１アームと
支持部とにより規定される又部に設けられ、検出用圧電
素子は、少なくとも第２アームに設けられている。一対
の第１アームと支持部との接合部における又部に駆動用
圧電素子を設けることによって、Ｈ型振動子を効率よく
励振することができるとともに、駆動用圧電素子が設け
られていない第２アームに対して検出用圧電素子を広面
積で設けることによって、Ｈ型振動子の歪みを効率よく
検出することができるのである。

【００１４】好ましくは、駆動用圧電素子は、Ｈ型振動
子のアーム延出方向に延びる仮想中心線に対して対称に
複数個設けられている。このような構成によって、Ｈ型
振動子のバランスを保ち、信頼性の高い角速度センサを
得ることができる。

【００１５】好ましくは、駆動用圧電素子および／また
は検出用圧電素子は、スパッタリング、蒸着、または印
刷により成膜された圧電膜と当該圧電膜を挟む一対の電
極によって構成されている。或は、駆動用圧電素子およ
び／または検出用圧電素子は、成形加工された圧電体と
当該圧電体を挟む一対の電極によって構成されている。
また、基板として低抵抗基板を用いる場合、駆動用圧電
素子および／または検出用圧電素子は、絶縁膜を介して
Ｈ型振動子に設けられている。ただし、基板として高抵
抗基板を用いる場合には、駆動用圧電素子および／また
は検出用圧電素子は、絶縁膜を介さずにＨ型振動子上に
直接的に設けてもよい。

【００１６】好ましくは、一対の第１アームは、平行に
離隔するとともにフレームに対して平行に形成されてお
り、一対の第２アームは、平行に離隔するとともにフレ
ームに対して平行に形成されており、一対の第１アーム
の離隔距離と、一対の第２アームの離隔距離と、第１ア
ームおよびフレームの離隔距離と、第２アームおよびフ
レームの離隔距離とは等しい。このような構成による
と、材料基板に施すエッチングにおいて、一対のアーム
間のエッチングレートと、アームおよびフレームの間の
エッチングレートとを同一とすることができ、その結
果、アームおよびフレームの断面形状のばらつきを抑
え、これらを良好に形成することが可能となる。また、
このような構成に代えて、一対の第１アームは平行に離
隔するとともに一対の第２アームは平行に離隔してお
り、基板に対するエッチングを、フレームへと形成され
る部位とＨ型振動子へと形成される部位との間におい
て、フレーム、Ｈ型振動子およびトーションバーをマス
クするための主レジストパターンに対して、一対の第１
アームの離隔距離および一対の第２アームの離隔距離と
同一の距離を隔てて設けられたエッチング幅調整用レジ
ストパターンを介して行うことによって、各エッチング
箇所について、エッチング幅を等しくしてエッチングレ
ートを同一としてもよい。このような構成を採用する場
合、エッチング幅調整用レジストパターンを、主レジス
トパターンにおけるフレームをマスクするための部位に
接続し、その結果得られる角速度センサにおいて、基板
においてエッチング幅調整用レジストパターンにマスク
されていた部位をフレームに固定するようにしてもよ
い。

【００１７】好ましくは、更に、フレームからトーショ
ンバーを通って駆動用圧電素子または検出用圧電素子に
接続するようにパターン形成された配線を有する。ま
た、基板には、駆動用圧電素子に電気的に接続された駆
動回路と、検出用圧電素子に電気的に接続された検出回
路が設けられている。このような構成によると、角速度
センサを効率よく製造することができる。

【００１８】好ましくは、一対の第１アームおよび一対
の第２アームの先端には、嵩高部が形成されている。或
いは、一対の第１アームおよび一対の第２アームの先端
には、重り部が設けられている。このような構成によっ
て、Ｈ型振動子に対して、より大きなコリオリ力を発生
させることができる。その結果、アームの振動変位量が
増大し、Ｈ型振動子の感度が向上する。

【００１９】好ましくは、トーションバーは、Ｈ型振動
子の支持部とフレームとを連結している。トーションバ
ーの厚さは、エッチングに付される基板の厚さに等しい
か、又は、基板の厚さよりも薄いのが好ましい。加え
て、トーションバーの延び方向に対する横断面形状は、
当該断面の中心を通って直交する２軸に対して対称な形
状であるのが好ましい。これらの構成を採用することに
よって、Ｈ型振動子に応じた適切なトーションバーが形
成される。また、好ましくは、Ｈ型振動子の支持部に連
結される一対のトーションバーの重心は、Ｈ型振動子の
重心に合致される。

【００２０】好ましくは、アーム延出方向において、一
対の第１アームおよび一対の第２アームは支持部よりも
短い。このような構成によると、支持部において捩れ振
動の少ない部分が増加するので、支持部に接続するトー
ションバーの形成が容易となる。加えて、より大きなト
ーションバーを形成することによって、トーションバー
の機械的強度を向上することが可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１〜図３は、本発明の第１の実
施形態に係る角速度センサ１０１を表す。図１は、角速
度センサ１０１の平面図である。図２および図３は、図
１の線II−IIおよび線III−IIIに沿った断面図である。

【００２２】図１に示すように、角速度センサ１０１
は、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、これらを連結
する一対のトーションバー３０と、Ｈ型振動子１０に設
けられた駆動用圧電素子４０および一対の検出用圧電素
子５０，６０とを有する。Ｈ型振動子１０、フレーム２
０およびトーションバー３０は、材料基板としてのシリ
コン基板に対して反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）ま
たは結晶異方性エッチングを施すことによって、一体成
形されたものである。具体的には、例えば厚さ５００μ
ｍのシリコン基板の片面にエッチングマスクとしてのフ
ォトレジストや金属膜をパターン形成し、当該エッチン
グマスクを介して基板の片面からＤｅｅｐ−ＲＩＥを行
うことによって、或は、基板の両面にエッチングマスク
としてのフォトレジストや金属膜をパターン形成し、当
該エッチングマスクを介して基板の両面から結晶異方性
エッチングを行うことによって、各部位が形成されてい
る。本発明でＤｅｅｐ−ＲＩＥを採用する場合、エッチ
ングと側壁保護を交互に行うＢｏｓｃｈプロセスにおい
て、例えば、ＳＦ₆ガスによるエッチングを８秒間程度
行い、Ｃ₄Ｆ₈ガスによる側壁保護を７秒間程度行い、ウ
エハに印加するバイアスは２０Ｗ程度とする。ウェット
エッチングである結晶異方性エッチングを採用する場合
には、エッチング液としてＥＰＷ（エチレンジアミン＋
ピロカテコール＋水）液やＫＯＨ水溶液を用いる。

【００２３】Ｈ型振動子１０は、支持部１１と、これか
ら延出する一対の第１アーム１２ａ，１２ｂと、第１ア
ーム１２ａ，１２ｂとは反対方向へ支持部１１から延出
する一対の第２アーム１３ａ，１３ｂとからなる。本実
施形態では、例えば支持部１１の長さＬ１は１０００μ
ｍ、幅Ｌ２は１１００μｍ、厚さは上述の材料基板の厚
さと同じ５００μｍである。一対の第１アーム１２ａ，
１２ｂは、互いに同一形状を有して平行に延びており、
長さＬ３は２５００μｍ、幅Ｌ４は５００μｍ、厚さは
材料基板と同じ５００μｍであって、互いの離隔距離Ｌ
５は１００μｍである。同様に、一対の第２アーム１３
ａ，１３ｂは、互いに同一形状を有して平行に延びてお
り、長さＬ３は２５００μｍ、幅Ｌ４は５００μｍ、厚
さは５００μｍであって、互いの離隔距離Ｌ５は１００
μｍである。Ｈ型振動子１０は、図１および図２に示す
ように、アーム延出方向に対して平行な対称面Ａ１−Ａ
１を有するとともに、アーム延出方位に対して平行であ
って対称面Ａ１−Ａ１に対して直交する対称面Ａ２−Ａ
２を有する対称性の高い形状に形成されている。

【００２４】材料基板からの一体成形において、Ｄｅｅ
ｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを採用すると、第１ア
ーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの
断面形状は、図２（ａ）に示すように、正方形とするこ
とができる。一方、結晶異方性エッチングによる両面エ
ッチングを採用すると、図２（ｂ）に示すように、六角
形とすることができる。アーム断面を六角形状とする場
合には、上述のアーム幅Ｌ４は表面幅を示し、第１アー
ム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３ａ、１３ｂは、
表面幅Ｌ４よりも太い最大幅Ｌ４’を有するものとす
る。例えば、シリコン基板の（１００）面を利用して結
晶異方性エッチングを行う場合、表面幅Ｌ４を５００μ
ｍとすると、表面幅Ｌ４よりも約３５０μｍ程度太い最
大幅Ｌ４’を有することとなる。このように、アーム断
面を正方形や六角形のような対称的な形状とすることが
できるので、Ｈ型振動子１０においてドリフトの低減を
図ることが可能となる。

【００２５】一対のトーションバー３０は、各々、図１
に示すように、Ｈ型振動子１０に対して、支持部１１に
て、Ｈ型振動子１０のアーム延出方向の中央で連結して
いる。本実施形態では、例えばトーションバー３０の長
さＬ６は５００μｍ、幅Ｌ７は５００μｍ、厚さＬ８は
５００μｍである。トーションバー３０の断面形状は、
材料基板からの一体成形においてＤｅｅｐ−ＲＩＥによ
る片面エッチングを採用する場合には、図３（ａ）に示
すように、正方形とすることができる。一方、結晶異方
性エッチングによる両面エッチングを採用する場合に
は、図３（ｂ）に示すように、六角形とすることができ
る。トーションバー断面を六角形状とする場合には、上
述の幅Ｌ７は表面幅を示し、トーションバー３０は、表
面幅Ｌ７よりも太い最大幅Ｌ７’を有するものとする。
例えば、シリコン基板の（１００）面を利用して結晶異
方性エッチングを行う場合、表面幅Ｌ７を５００μｍと
すると、表面幅Ｌ７よりも約３５０μｍ程度太い最大幅
Ｌ７’を有することとなる。このように、トーションバ
ー３０の断面形状は、強度の観点から、当該断面の中心
を通って直交する２軸Ａ３−Ａ３，Ａ４−Ａ４に対して
対称な形状であるのが好ましい。また、本発明において
は、トーションバー３０の捩れ抵抗を低減すべく、図３
（ｃ）に示すように、トーションバー３０の断面をより
小寸法に設計してもよい。具体的には、トーションバー
３０の幅Ｌ７を小さくするとともに、厚さＬ８を材料基
板の厚さ５００μｍよりも小さくする。トーションバー
３０の形状は、センサ感度に多大な影響を与えるとこ
ろ、本発明では、トーションバー３０の厚さを上述のよ
うに基板の厚さに対して等しいか又は薄くすることによ
って、トーションバー３０の捩れ抵抗を低下し、その結
果、Ｈ型振動子１０の高感度化を達成することができ
る。また、トーションバー３０について断面を正方形や
六角形とするとともに厚みを小さくし、且つ、一対のト
ーションバー３０の重心を支持部１１に在るＨ型振動子
１０の重心に一致させることによって、トーションバー
３０の曲げ強度を確保しつつ捩れ抵抗を下げることがで
きるとともに、Ｈ型振動子の感度を高めることができ
る。これらの構成によって、Ｈ型振動子１０においてド
リフトの低減を図ることができ、高性能な角速度センサ
１０１を製造することが可能となる。

【００２６】フレーム２０について、本実施形態では、
例えばアーム延出方向の長さＬ９は７０００〜９０００
μｍとされ、幅Ｌ１０は３１００〜４１００μｍであ
る。本実施形態においては、図２（ａ）および図２
（ｂ）に示すように、第１アーム１２ａ，１２ｂおよび
第２アーム１３ａ，１３ｂとフレーム２０との離隔距離
Ｌ１１は、５００μｍであって、トーションバー３０の
長さＬ６に等しく、第１アーム１２ａ，１２ｂ間の離隔
距離Ｌ５は１００μｍである。また、図１に示すよう
に、第１アーム１２ａ，１２ｂおよび第２アーム１３
ａ，１３ｂの先端とフレーム２０との離隔距離Ｌ１１’
も５００μｍである。

【００２７】このように一対のアームの離隔距離Ｌ５と
アーム−フレーム間距離Ｌ１１，Ｌ１１’とが異なる設
計において、図１０および図１１を参照して後述するよ
うに材料基板に対するエッチングを行う際には、図４お
よび図５に示すように、レジストパターン１１６に加え
てエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を有す
るレジストパターンを用いるのが好ましい。レジストパ
ターン１１６は、材料基板においてＨ型振動子１０、フ
レーム２０およびトーションバー３０へと形成される領
域をマスクするためのものである。エッチング幅調整用
レジストパターン１１６’は、レジストパターン１１６
から一定の間隔で形成されている。図４は、エッチング
幅調整用レジストパターン１１６’が、レジストパター
ン１１６から独立する場合を表す。図５は、エッチング
幅調整用レジストパターン１１６’が、その架橋部１１
６’ａを介してレジストパターン１１６に接続している
場合を表す。例えばレジストパターン１１６およびエッ
チング幅調整用レジストパターン１１６’の離隔距離Ｌ
１２は１００μｍであり、一対のアームの離隔距離Ｌ５
に等しい。上述のように、本実施形態では、一対のアー
ムの離隔距離Ｌ５とフレーム−アーム間の離隔距離Ｌ１
１，Ｌ１１’とが異なるところ、レジストパターン１１
６に加えてエッチング幅調整用レジストパターン１１
６’を有するレジストパターンを、図４および図５に示
すように形成することにより、各部位を形成するための
エッチングにおいてエッチングレートを同一とすること
ができる。その結果、フレーム２０、第１アーム１２
ａ，１２ｂ、および第２アーム１３ａ，１３ｂの断面形
状のばらつきを適切に抑制することが可能となる。

【００２８】ただし、図４に示した態様のレジストパタ
ーンを介してシリコン基板に対してエッチングを施す
と、シリコン基板においてエッチング幅調整用レジスト
パターン１１６’にマスクされていた部分は、シリコン
基板ないしフレーム２０から分離することとなる。その
ため、シリコン基板に対するエッチング終了と同時か、
または、その後の工程で、当該分離部分は、シリコン基
板から外れる際に振動子を傷付ける可能性がある。ここ
で、その後の工程とは、例えば、エッチングのストップ
層としてシリコン基板の裏面にＳｉＯ₂膜またはレジス
ト膜が設けられている場合において、エッチング終了後
に当該ＳｉＯ₂膜またはレジスト膜を除去する工程をい
う。振動子に傷が付くということは、アーム形状の対称
性が崩れるということであり、角速度センサの性能に影
響を与える。これに対して、図５に示したマスクパター
ンを介してシリコン基板にエッチングを施す場合、シリ
コン基板においてエッチング幅調整用レジストパターン
１１６’にマスクされていた部分は、架橋部１１６’ａ
にマスクされていた部位を介してシリコン基板ないしフ
レーム２０に固定されることとなる。そのため、エッチ
ング終了と同時においてもその後の工程においても、シ
リコン基板においてエッチング幅調整用レジストパター
ン１１６’にマスクされていた部分は、振動子に損傷を
与えることはない。

【００２９】また、本発明では、エッチング幅調整用レ
ジストパターン１１６’を用いる方法に代えて、例えば
図２（ｃ）に示すように、第１アーム１２ａ，１２ｂお
よび第２アーム１３ａ，１３ｂとフレーム２０との離隔
距離Ｌ１１を２００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２
ｂ間の離隔距離および第２アーム１３ａ，１３ｂ間の離
隔距離Ｌ５を２００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２
ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの先端とフレーム２
０との離隔距離Ｌ１１’を２００μｍとして、３種類の
離隔距離を等しくしてもよい。このような構成による
と、材料基板に対するエッチングレートについて、エッ
チング幅調整用レジストパターン１１６’を用いること
なく、アーム−アーム間とフレーム−アーム間とで同一
とすることができる。

【００３０】駆動用圧電素子４０は、図１に示すよう
に、第１アーム１２ａ，１２ｂと支持部１１とにより規
定される又部１１’、すなわち、第１アーム１２ａと支
持部１１と第１アーム１２ｂとにわたる箇所に設けられ
ている。また、駆動用圧電素子４０は、下部電極４１
と、上部電極４３と、これらに挟まれた圧電膜４２とに
よる積層構造を有する。下部電極４１は、一方のトーシ
ョンバー３０の上を通ってパターン形成された配線７１
を介して駆動下部電極パッド８１に接続されている。上
部電極４３は、もう一方のトーションバー３０の上を通
ってパターン形成された配線７３を介して駆動上部電極
パッド８３に接続されている。圧電膜４２は、ＺｎＯ、
ＡｌＮ、ＰＺＴなどによって構成される。また、電極４
１，４３は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどによって構成され
る。

【００３１】検出用圧電素子５０，６０は、図１に示す
ように、第２アーム１３ａと支持部１１との接合部、お
よび、第２アーム１３ｂと支持部１１との接合部に各々
設けられている。Ｈ型振動子１０において、支持部１１
とアームとの接合部が最も歪むので、本実施形態の検出
用圧電素子５０，６０は、Ｈ型振動子１０の振動を感度
よく検出することができる。検出用圧電素子５０は、下
部電極５４と、上部電極５６と、これらに挟まれた圧電
膜５５とによる積層構造を有する。下部電極５４は、一
方のトーションバー３０の上を通ってパターン形成され
た配線７４を介して検出下部電極パッド８４に接続され
ている。上部電極５６は、同一のトーションバー３０の
上を通ってパターン形成された配線７６を介して検出上
部電極パッド８６に接続されている。また、検出用圧電
素子６０は、下部電極６７と、上部電極６９と、これら
に挟まれた圧電膜６８とによる積層構造を有する。下部
電極６７は、一方のトーションバー３０の上を通ってパ
ターン形成された配線７７を介して検出下部電極パッド
８７に接続されている。上部電極６９は、同一のトーシ
ョンバー３０の上を通ってパターン形成された配線７９
を介して検出上部電極パッド８９に接続されている。圧
電膜５５，６８は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどによっ
て構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、
Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどによって構成される。

【００３２】このような構成の角速度センサ１０１にお
いて、駆動用圧電素子４０に対して所定の交流電圧を印
加すると、圧電膜４２が逆圧電効果によって伸縮し、こ
れに起因して一対の第１アーム１２ａ，１２ｂが図１に
おけるＸ軸方向において、互いに逆位相で屈曲振動ない
し面内振動Ｖ１，Ｖ２する。これに伴い、第２アーム１
３ａ，１３ｂも、Ｘ軸方向において、互いに逆位相で屈
曲振動ないし面内振動Ｖ１，Ｖ２する。駆動において最
適な印加電圧周波数は、第１アーム１２ａ，１２ｂの面
内振動モードと略等しい周波数であり、Ｈ型振動子１０
のサイズ条件などによって決まるところ、本実施形態で
は約８０ｋＨｚの交流電圧によって駆動する。これによ
って、Ｈ型振動子１０を効率的に駆動でき、高感度の角
速度センサ１０１を実現できる。Ｈ型振動子１０を定常
的に振動させた状態において、Ｈ型振動子１０がＺ軸回
りに角速度ωで回転すると、Ｈ型振動子１０は、Ｙ軸方
向すなわち図１の紙面に対して垂直方向にコリオリ力Ｆ
（Ｆ＝−２ｍＶω、ｍ；振動子質量、Ｖ；振動速度）を
受ける。すると、Ｈ型振動子１０の屈曲振動は、振動モ
ードが変わり、面垂直方向すなわちＹ軸方向にも振動す
るようになる。このように振動するＨ型振動子１０にお
けるＹ軸に垂直な面の歪みは、検出用圧電素子５０，６
０の圧電膜５５，６８による圧電効果に基づいて検出さ
れ、検出用圧電素子５０，６０からは、コリオリ力Ｆな
いし角速度ωに比例した出力が得られる。

【００３３】図６に示すように、Ｈ型振動子１０が面内
振動を行う駆動モードにおいては、最も歪みの大きな部
分は、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂによって
規定される又部１１’、および、支持部１１と第２アー
ム１３ａ，１３ｂによって規定される又部１１’であ
る。そのため、本実施形態では、図1に示すように、駆
動用圧電素子４０をＨ型振動子１０の又部１１’に設置
し、これによって、Ｈ型振動子１０の駆動を効率良く行
うことができる。

【００３４】第２アーム１３ａに配設した検出用圧電素
子５０からの検出信号、および、第２アーム１３ｂに配
設した検出用圧電素子６０からの検出信号は、例えば、
図７に示すような差動回路として構成された検出回路で
とることができる。図７に示すような差動回路による
と、検知感度を向上することができるとともに、外来ノ
イズを低減することもできる。なお、図７に示す差動回
路において、図中の一点鎖線より左側の領域のゲインは
１＋（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１で表され、一点鎖線より右側
の領域のゲインはＲ５／Ｒ６（但し、Ｒ５＝Ｒ４，Ｒ６
＝Ｒ７である）で表される。

【００３５】図８は、図１に示す角速度センサ１０１を
パッケージングした場合の、図１の線II−IIに沿った断
面図である。角速度センサ１０１は、Ｈ型振動子１０と
フレーム２０とがトーションバー３０を介して一体成形
された構造をとる。そのため、角速度センサ１０１のパ
ッケージングは、図８（ａ）に示すように、陽極接合法
や直接接合法等によって、ガラスやＳｉのパッケージン
グ部材９０ａとフレーム２０とを、スペーサ９０ｂを介
して接合することにより容易に行うことができる。或い
は、図８（ｂ）に示すように、ガラスやＳｉのパッケー
ジング部材９０ａに対してＲＩＥまたはサンドブラスト
加工の技術によって予め退避部９０ａ’を形成し、この
パッケージング部材９０ａを、陽極接合や直接接合法等
によって、角速度センサ１０１に接合してもよい。

【００３６】図９は、図１に示す角速度センサ１０１の
製造方法における一部の工程の一例を表す。図１０は図
９に続く工程を表す。図９および図１０は、製造工程に
おける、図１の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面形状の様子を
表す。角速度センサ１０１の製造においては、まず、図
９（ａ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、熱酸
化法等により、ＳｉＯ₂よりなる酸化膜１１１を成膜
し、更に、角速度センサ１０１において最終的に下部電
極４１，５４，６７などにパターン形成される金属膜１
１２を、Ａｌなどの金属材料のスパッタリングまたは蒸
着等により成膜する。酸化膜１１１の膜厚は０．２μｍ
程度であり、金属膜１１２の膜厚は０．１μｍ程度であ
る。酸化膜１１１は、シリコン基板Ｓとして抵抗率がお
よそ１０００Ωｃｍ未満の低抵抗基板を使用する場合
に、完成品の角速度センサ１０１において不要な容量成
分が発生するのを防ぐために形成されるものである。し
たがって、シリコン基板Ｓとして、抵抗率がおよそ１０
００Ωｃｍ以上の高抵抗基板を使用する場合には、酸化
膜１１１は成膜しなくともよい。

【００３７】次に、図９（ｂ）に示すように、所定のエ
ッチングマスクを介して、金属膜１１２をエッチングす
る。エッチングは、ドライエッチングまたはウェットエ
ッチングで行う。ウェットエッチングの場合、エッチン
グ液としては、リン酸、酢酸、硝酸などを主成分とする
ものなどを使用することができる。このエッチングによ
って、Ｈ型振動子１０に成形される領域に下部電極４
１，５４，６７がパターン形成され、フレーム２０に成
形される領域に下部電極パッド８１，８４，８７がパタ
ーン形成され、且つ、これらを接続する配線７１，７
４，７７がパターン形成される。

【００３８】次に、図９（ｃ）に示すように、シリコン
基板Ｓに対して、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどの圧電材
料のスパッタリング、蒸着、または印刷等によって、圧
電薄膜１１３を積層形成する。圧電薄膜１１３の膜厚
は、Ｈ型振動子１０を所望の周波数で振動させるのに必
要な膜厚、例えば１μｍ程度である。そして、図９
（ｄ）に示すように、所定のエッチングマスクを介し
て、当該圧電薄膜１１３をエッチングする。このとき、
ウェットエッチングを採用する場合、エッチング液とし
ては、酢酸水溶液などを使用することができる。このエ
ッチングによって、下部電極４１，５４，６７に重なる
圧電膜４２，５５，６８がパターン形成される。

【００３９】次に、図９（ｅ）に示すように、シリコン
基板Ｓに対して、金属膜１１４を、Ａｌなどの金属材料
のスパッタリングまたは蒸着等により成膜する。金属膜
１１４の膜厚は１μｍ程度である。そして、図９（ｆ）
に示すように、所定のエッチングマスクを介して、当該
金属膜１１４をエッチングする。エッチングは、ドライ
エッチングまたはウェットエッチングで行う。ドライエ
ッチングの場合、エッチングガスとしては、ＢＣｌ₃お
よびＣｌ₂の混合ガスなどを使用することができる。こ
のエッチングによって、圧電膜４２，５５，６８に重な
る上部電極４３，５６，６９と、フレーム２０に成形さ
れる領域の上部電極パッド８３，８６，８９と、これら
を接続する配線７３，７６，７９とがパターン形成され
る。

【００４０】以上のようにして、シリコン基板Ｓ上にお
いて、駆動用圧電素子４０、検出用圧電素子５０，６
０、およびこれらに伴う配線構造を形成した後、図１０
（ａ）に示すように、フォトレジスト１１５を、シリコ
ン基板Ｓに対して積層する。次に、図１０（ｂ）に示す
ように、露光および現像を経てフォトレジスト１１５を
パターンニングしてレジストパターン１１６を形成す
る。レジストパターン１１６は、角速度センサ１０１に
おける、Ｈ型振動子１０、フレーム２０、およびトーシ
ョンバー３０に対応する平面視形態を有し、駆動用圧電
素子４０および検出用圧電素子５０，６０を覆ってい
る。次に、図１０（ｃ）に示すように、レジストパター
ン１１６を介して、シリコン基板Ｓを貫通するまで、Ｄ
ｅｅｐ−ＲＩＥを行う。これによって、Ｈ型振動子１０
と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体成形
される。この後、図１０（ｄ）に示すように、レジスト
パターン１１６を除去することによって、Ｈ型振動子１
０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体と
なって、Ｈ型振動子１０上に駆動用圧電素子４０および
検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速度センサ１
０１が完成する。ただし、本発明では、図１０（ｂ）に
示す工程において、図４および図５を参照して上述した
ように、レジストパターン１１６とともにエッチング幅
調整用レジストパターン１１６’を形成してもよい。こ
れによって、図１０（ｃ）に示す工程において、Ｄｅｅ
ｐ−ＲＩＥによる各エッチング箇所のエッチングレート
を同一とすることができる。

【００４１】図１０には、図９に示す一連の工程の後に
おける、Ｈ型振動子１０、フレーム２０、およびトーシ
ョンバー３０の一体成形に際して、片面エッチングを採
用する場合の工程を表した。本発明では、これに代え
て、以下のような両面エッチングを採用することもでき
る。両面エッチングにおいては、まず、図９に示す一連
の工程の後に、図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照
して説明した工程を経て、図１１（ａ）に示すような状
態とする。すなわち、シリコン基板Ｓに対してフォトレ
ジスト１１５を積層し、露光および現像を経てレジスト
パターン１１６を形成する。次に、図１１（ｂ）に示す
ように、レジストパターン１１６を介して、シリコン基
板Ｓの中間位置まで、ウェットエッチングである結晶異
方性エッチングを行う。これによって、Ｈ型振動子１０
と、フレーム２０と、トーションバー３０の基板上位半
分が形成されたこととなる。次に、図１１（ｃ）に示す
ように、シリコン基板Ｓに対してフォトレジスト１１７
を積層する。次いで、図１１（ｄ）に示すように、露光
および現像を経て、フォトレジスト１１７をパターニン
グしてレジストパターン１１８を形成する。次に、図１
１（ｅ）に示すように、レジストパターン１１８を介し
て、シリコン基板Ｓの中間位置にて貫通するまで、結晶
異方性エッチングを行う。これによって、Ｈ型振動子１
０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体成
形される。この後、図１１（ｆ）に示すように、レジス
トパターン１１６，１１８を除去することによって、Ｈ
型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０
とが一体となって、Ｈ型振動子１０上に駆動用圧電素子
４０および検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速
度センサ１０１が完成する。ただし、本発明では、図１
１（ａ）および図１１（ｄ）に示す工程において、図４
および図５を参照して上述したように、レジストパター
ン１１６，１１８とともにエッチング幅調整用レジスト
パターンを形成してもよい。これによって、図１１
（ｂ）および図１１（ｅ）に示す工程において、結晶異
方性エッチングによる各エッチング箇所のエッチングレ
ートを同一とすることができる。

【００４２】図１２は、本発明の第２の実施形態に係る
角速度センサ１０２の平面図である。図１３は、図１２
の線XIII−XIIIに沿った断面図である。角速度センサ１
０２は、駆動用圧電素子４０、検出用圧電素子５０，６
０、および配線構造の一部の形態において、角速度セン
サ１０１と異なる。具体的には、駆動用圧電素子４０
は、下部電極４１と、上部電極４３と、これらに挟まれ
た圧電体４２’とによる積層構造を有する。圧電体４
２’は、１００μm程度の厚みを有する。下部電極４１
は、一方のトーションバー３０の上を通ってパターン形
成された配線７１を介して駆動下部電極パッド８１に接
続されている。上部電極４３は、ワイヤ７３’を介して
駆動上部電極パッド８３に接続されている。ワイヤ７
３’は例えば金よりなる。圧電体４２’は、ＺｎＯ、Ａ
ｌＮ、ＰＺＴなどによって構成される。また、電極４
１，４３は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどによって構成され
る。ただし、本発明においては、駆動用圧電素子４０の
圧電体４２’と下部電極４１との間に、圧電素子の下部
電極の一部として、更に、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどにより
構成される金属膜を介在させてもよい。

【００４３】検出用圧電素子５０は、下部電極５４と、
上部電極５６と、これらに挟まれた圧電体５５’とによ
る積層構造を有する。下部電極５４は、一方のトーショ
ンバー３０の上を通ってパターン形成された配線７４を
介して検出下部電極パッド８４に接続されている。上部
電極５６は、例えば金よりなるワイヤ７６’を介して検
出上部電極パッド８６に接続されている。また、検出用
圧電素子６０は、下部電極６７と、上部電極６９と、こ
れらに挟まれた圧電体６８’とによる積層構造を有す
る。下部電極６７は、一方のトーションバー３０の上を
通ってパターン形成された配線７７を介して検出下部電
極パッド８７に接続されている。上部電極６９は、例え
ば金よりなるワイヤ７９’を介して検出上部電極パッド
８９に接続されている。圧電体５５’，６８’は、１０
０μm程度の厚みを有し、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなど
によって構成される。また、電極５４，５６，６７，６
９は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどによって構成される。ただ
し、本発明においては、検出用圧電素子５０の圧電体５
５’と下部電極５４との間に、圧電素子の下部電極の一
部として、更に、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどにより構成され
る金属膜を介在させてもよい。同様に、検出用圧電素子
６０の圧電体６８’と下部電極６７との間に、圧電素子
の下部電極の一部として、更に、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなど
により構成される金属膜を介在させてもよい。また、本
発明では、フレーム２０上に設けられた上部電極パッド
８３，８６，８９を有しない構成を採用することもでき
る。その場合、上部電極４３，５６，６９に接続するワ
イヤ７３’，７６’，７９’の一端は、角速度センサ１
０２のための駆動回路または検出回路に対して直接に接
続される。

【００４４】このような構成の角速度センサ１０２にお
いて、駆動用圧電素子４０に対して所定の交流電圧を印
加すると、圧電体４２’が逆圧電効果によって伸縮す
る。これに起因して、Ｈ型振動子１０における一対の第
１アーム１２ａ，１２ｂおよび一対の第２アーム１３
ａ，１３ｂは、図１２におけるＸ軸方向において面内振
動Ｖ１，Ｖ２する。このようにＨ型振動子１０を定常的
に振動させた状態において、Ｈ型振動子１０がＺ軸回り
に角速度ωで回転すると、Ｈ型振動子１０の振動モード
は変わり、Ｈ型振動子１０は面垂直方向すなわちＹ軸方
向にも振動するようになる。Ｈ型振動子１０におけるＹ
軸に垂直な面の歪みは、検出用圧電素子５０，６０の圧
電体５５’，６８’による圧電効果に基づいて検出さ
れ、検出用圧電素子５０，６０からは、角速度ωに比例
した出力が得られる。検出用圧電素子５０，６０からの
検出信号は、例えば、図７に示すような検出回路でとる
ことができる。

【００４５】角速度センサ１０２の有する駆動用圧電素
子４０および検出用圧電素子５０，６０の圧電体４
２’,５５’，６８’は、角速度センサ１０１における
圧電膜４２，５５，６８よりも分厚く、従って圧電定数
の大きなものが得られ易い。このような駆動用圧電素子
４０および検出用圧電素子５０，６０を備えているた
め、圧電定数の観点から、角速度センサ１０２は角速度
センサ１０１よりも高性能化を図ることが可能である。

【００４６】図１４および図１５は、角速度センサ１０
２の製造方法の一例を表す。図１４および図１５は、製
造工程における、図１２の線XIII−XIIIに沿った断面形
状の様子を表す。まず、図１４（ａ）に示すように、シ
リコン基板Ｓに対して、熱酸化法等により酸化膜１１１
を成膜し、更に、角速度センサ１０２において最終的に
下部電極４１，５４，６７などにパターン形成される金
属膜１１２を成膜する。ただし、シリコン基板Ｓとして
抵抗率がおよそ１０００Ωｃｍ以上の高抵抗基板を使用
する場合には、酸化膜１１１は成膜しなくともよい。次
に、図１４（ｂ）に示すように、所定のエッチングマス
クを介して、金属膜１１２をエッチングする。このエッ
チングによって、Ｈ型振動子１０に成形される領域に下
部電極４１，５４，６７がパターン形成され、フレーム
２０に成形される領域に下部電極パッド８１，８４，８
７がパターン形成され、且つ、これらを接続する配線７
１，７４，７７がパターン形成される。このとき、フレ
ーム２０に成形される領域には、上部電極パッド８３，
８６，８９も形成される。酸化膜１１１および金属膜１
１２について、構成材料、成膜手段およびエッチング手
法は、図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して第１の実
施形態に係る角速度センサ１０１に関して上述したのと
同様である。

【００４７】次に、図１４（ｃ）に示すように、フォト
レジスト１１５を、シリコン基板Ｓに対して積層する。
次に、図１４（ｄ）に示すように、露光および現像を経
てフォトレジスト１１５をパターンニングしてレジスト
パターン１１６を形成する。レジストパターン１１６
は、角速度センサ１０２における、Ｈ型振動子１０、フ
レーム２０、およびトーションバー３０に対応する平面
視形態を有し、下部電極４１，５４，６７、下部電極パ
ッド８１，８４，８７、これらを連結する配線７１，７
４，７７、および上部電極パッド８３，８６，８９を覆
っている。

【００４８】次に、図１５（ａ）に示すように、レジス
トパターン１１６を介して、シリコン基板Ｓを貫通する
までＤｅｅｐ−ＲＩＥを行う。これによって、角速度セ
ンサ１０２における、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０
と、トーションバー３０とが一体成形される。この後、
図１５（ｂ）に示すように、レジストパターン１１６を
除去する。

【００４９】次に、図１５（ｃ）に示すように、予め上
部電極４３，５６，６９が貼り合わされている圧電体４
２’，５５’，６８’を、下部電極４１，５４，６７上
に形成する。例えば、圧電体４２’，５５’，６８’を
下部電極４１，５４，６７上に接着する場合には、導電
性接着剤が用いられる。予め上部電極４３，５６，６９
が貼り合わされている圧電体４２’，５５’，６８’
は、バルクの圧電材料の所定面に金属膜を成膜した後に
所望の形状に加工することによって用意される。圧電体
４２’，５５’，６８’は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴな
どによって構成され、１００μｍ程度の厚みを有する。
上部電極４３，５６，６９は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどの
スパッタリングや蒸着により圧電体４２’，５５’，６
８’上に成膜されたものである。下部電極４１，５４，
６７上への形成の後、圧電体４２’，５５’，６８’に
対して分極処理を施す。この分極処理は、上部電極４
３，５６，６９と、Ｈ型振動子１０上に予め形成されて
いた下部電極４１，５４，６７との間に電圧を印加する
ことによって行う。

【００５０】圧電体４２’，５５’，６８’には、上部
電極４３，５６，６９の成膜とともに、上部電極４３，
５６，６９とは反対側に、下部電極の一部としての金属
膜を成膜してもよい。そのような圧電体４２’，５
５’，６８’は、圧電材料の所定の２面に金属膜を成膜
した後に所望の形状に加工することによって用意され
る。この場合、圧電体４２’，５５’，６８’を下部電
極４１，５４，６７上に設ける前に、圧電体４２’，５
５’，６８’に対する分極処理を行うことができる。こ
の分極処理は、上部電極４３，５６，６９と、これとと
もに形成された金属膜との間に電圧を印加することによ
って行う。分極処理の後、圧電体４２’，５５’，６
８’を前述の金属膜を介して下部電極４１，５４，６７
上に設ける。例えば導電性接着剤を用いることによっ
て、圧電体４２’，５５’，６８’を前述の金属膜を介
して下部電極４１，５４，６７上に形成することができ
る。

【００５１】次に、図１５（ｄ）に示すように、上部電
極４３，５６，６９と、これに対応する上部電極パッド
８３，８６，８９とを、例えば金よりなるワイヤ７
３’，７６’，７９’のワイヤボンディング等により接
続する。これによって、Ｈ型振動子１０と、フレーム２
０と、トーションバー３０とが一体となって、Ｈ型振動
子１０上に駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５
０，６０が設けられた角速度センサ１０２が完成する。
ただし、本実施形態では、図１４（ｄ）に示す工程にお
いて、図４および図５を参照して上述したように、レジ
ストパターン１１６とともにエッチング幅調整用レジス
トパターン１１６’を形成してもよい。これによって、
図１５（ａ）に示す工程において、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥに
よる各エッチング箇所のエッチングレートを同一とする
ことができる。また、図１１を参照して第１の実施形態
の角速度センサ１０１の製造に関して上述したように、
本実施形態の角速度センサ１０２の製造においても、図
１４（ｄ）に示す工程にてＨ型振動子１０とフレーム２
０とトーションバー３０とを一体成形する際、結晶異方
性エッチングの両面エッチングを採用してもよい。

【００５２】図１６は、本発明の第３の実施形態に係る
角速度センサ１０３の平面図である。角速度センサ１０
３は、検出用圧電素子の配設態様が角速度センサ１０１
と異なる。具体的には、検出用圧電素子７０が、支持部
１１と第１アーム１２ａとの接合部に設けられ、検出用
圧電素子８０が、支持部１１と第１アーム１２ｂとの接
合部に設けられている。検出用圧電素子７０，８０は、
Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１について対称に配設
されている。これによって、Ｈ型振動子１０の振動バラ
ンスを保つことができるので、長期間にわたってドリフ
トの増大を防ぎ、角速度センサ１０３の信頼性を確保す
ることが可能となる。他の構成については、角速度セン
サ１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は
省略する。また、上述のように、Ｈ型振動子１０におい
ては、支持部１１とアームの接合部が最も歪むので、本
実施形態の検出用圧電素子の配設態様によっても、角速
度センサ１０１と略同様に角速度を検出することが可能
である。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０および
検出用圧電素子７０，８０は、第２の実施形態に係る分
厚い圧電体を用いて構成してもよい。

【００５３】図１７は、本発明の第４の実施形態に係る
角速度センサ１０４の平面図である。角速度センサ１０
４は、駆動用圧電素子および検出用圧電素子の配設態様
が角速度センサ１０１と異なる。具体的には、支持部１
１と第１アーム１２ａ，１２ｂとの接合部には、一対の
検出用圧電素子７０，８０が設けられており、支持部１
１と第２アーム１３ａ，１３ｂとの接合部には、第２ア
ーム１３ａと支持部１１と第２アーム１３ｂにわたって
駆動用圧電素子４０’設けられるとともに、一対の検出
用圧電素子７０’，８０’が設けられている。検出用圧
電素子７０および検出用圧電素子７０’は、Ｈ型振動子
１０の対称面Ａ１−Ａ１について、検出用圧電素子８０
および検出用圧電素子８０’に対して対称に配設されて
いる。これとともに、駆動用圧電素子４０’および検出
用圧電素子７０’，８０’は、対称面Ａ１−Ａ１に直交
する面Ａ５−Ａ５について、駆動用圧電素子４０および
検出用圧電素子７０，８０に対して対称に配設されてい
る。これによって、Ｈ型振動子１０の振動バランスは均
一に保たれている。他の構成については、角速度センサ
１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省
略する。また、上述のように、Ｈ型振動子１０において
は、支持部１１とアームの接合部が最も歪むので、本実
施形態の検出用圧電素子の配設態様によっても、角速度
センサ１０１と略同様に角速度を検出することが可能で
ある。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４０’
および検出用圧電素子７０，８０，７０’，８０’は、
第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても
よい。

【００５４】図１８は、本発明の第５の実施形態に係る
角速度センサ１０５の平面図である。角速度センサ１０
５は、駆動用圧電素子の配設態様が角速度センサ１０１
と異なる。具体的には、駆動用圧電素子４０に加えて、
駆動用圧電素子４５，４６が、支持部１１と第１アーム
１２ａ，１２ｂとの接合部に設けられている。駆動用圧
電素子４０，４５，４６は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ
１−Ａ１について対称に配設され、Ｈ型振動子１０のバ
ランスが保たれている。他の構成については、角速度セ
ンサ１０１に関して上述したのと同様である。このよう
な構成の角速度センサ１０５の駆動に際しては、駆動用
圧電素子４０と駆動用圧電素子４５，４６とに対して、
各々、図１９に示すような逆位相の電位信号を印加する
ことによって、各々の圧電素子の振動ないし伸縮を逆位
相にし、各アームの面内方向の振動量を、単一の駆動用
圧電素子４０によって駆動される角速度センサ１０１に
比べて、大きくすることができる。これによって、角速
度センサ１０５の感度が向上し、高性能化が図られる。
他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述
したのと同様であり、配線構造は省略する。なお、本実
施形態の駆動用圧電素子４０，４５，４６および検出用
圧電素子５０，６０は、第２の実施形態に係る分厚い圧
電体を用いて構成してもよい。

【００５５】図２０は、本発明の第６の実施形態に係る
角速度センサ１０６の平面図である。角速度センサ１０
６は、駆動用圧電素子の配設態様が角速度センサ１０１
と異なる。具体的には、駆動用圧電素子４０に加えて、
駆動用圧電素子４５，４６，４７，４８が、支持部１１
と第１アーム１２ａ，１２ｂとの接合部に設けられてい
る。駆動用用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８
は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１について対称に
配設され、Ｈ型振動子１０のバランスが保たれている。
他の構成については、角速度センサ１０１に関して上述
したのと同様である。角速度センサ１０６の駆動に際し
ては、駆動用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８に
対して、各々、図２１に示すような振幅の異なる電位信
号を印加することによって、各々の圧電素子の振動ない
し伸縮の歪みの大きさを変え、各アームの面内方向の振
動量を、単一の駆動用圧電素子４０によって駆動される
角速度センサ１０１に比べて、大きくすることができ
る。その結果、角速度センサ１０６の感度が向上し、高
性能化が図られる。他の構成については、角速度センサ
１０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省
略する。なお、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４
５，４６，４７，４８および検出用圧電素子５０，６０
は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成し
てもよい。

【００５６】図２２は、本発明の第７の実施形態に係る
角速度センサ１０７を表す。図２２（ａ）は角速度セン
サ１０７の平面図であり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）
の線Ｂ２−Ｂ２から見た矢視図である。角速度センサ１
０７は、角速度センサ１０１の第１アーム１２ａ，１２
ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの各々の先端に嵩高
部９１が形成された構成をとる。嵩高部９１は、Ｈ型振
動子１０の対称面Ａ１−Ａ１および対称面Ａ２−Ａ２に
つてい対称に配設されて、Ｈ型振動子１０のバランスが
保たれ、これによってＨ型振動子１０の雑音モードなど
が防がれている。他の構成については、角速度センサ１
０１に関して上述したのと同様であり、配線構造は省略
する。このように、Ｈ型振動子１０のアームの先端形状
をアームの基端部よりも大きくすることにより、大きな
コリオリ力を発生させることができる。すると、検出モ
ードにおけるアームの振動変位量が大きくなり、角速度
センサ１０７の高感度化が図られる。なお、本実施形態
の駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０
は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成し
てもよい。

【００５７】図２３は、本発明の第８の実施形態に係る
角速度センサ１０８を表す。図２３（ａ）は角速度セン
サ１０８の平面図であり、図２３（ｂ）は図２３（ａ）
の線Ｂ３−Ｂ３から見た矢視図である。角速度センサ１
０８は、角速度センサ１０１の第１アーム１２ａ，１２
ｂおよび第２アーム１３ａ，１３ｂの各々の先端に重り
部９２が設けられた構成をとる。重り部９２は、Ｈ型振
動子１０の対称面Ａ１−Ａ１につてい対称に配設され、
これによってＨ型振動子１０のバランスが保たれてい
る。他の構成については、角速度センサ１０１に関して
上述したのと同様であり、配線構造は省略する。このよ
うに、Ｈ型振動子１０のアーム先端部に重り部９２を設
けると、Ｈ型振動子１０の振動時に、アームに対してよ
り大きなコリオリ力が発生する。すると、検出モードに
おけるアームの振動変位量が大きくなり、角速度センサ
１０８の高感度化を図ることができる。なお、本実施形
態の駆動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６
０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成
してもよい。

【００５８】図２４は、本発明の第９の実施形態に係る
角速度センサ１０９を表す。角速度センサ１０９は、角
速度センサ１０１とは異なるＨ型振動子１０’を備え
る。具体的には、Ｈ型振動子１０’は、支持部１１と、
当該支持部１１よりも短い第１アーム１２ａ，１２ｂお
よび第２アーム１３ａ，１３ｂとを備える。より具体的
には、例えば本実施形態の支持部１１の長さＬ１は３０
００μｍであり、アームの長さはＬ３は１５００μｍで
ある。支持部１１の長さをアーム長さＬ３以上にするこ
とで、Ｈ型振動子１０の支持部１１において、ねじれ振
動が少ない部位が増加し、これによってトーションバー
３０の形成が容易となる。すなわち、支持部１１がアー
ム長に対して長いことから、トーションバー３０を大き
くすることができ、実質的な機械的強度を増加させて信
頼性を向上させることができる。具体的には、本実施形
態では、トーションバー３０の幅Ｌ７は８００μｍであ
る。その他の構成については、角速度センサ１００に関
して上述したのと同様であり、配線構造は省略する。な
お、本実施形態の駆動用圧電素子４０および検出用圧電
素子５０，６０は、第２の実施形態に係る分厚い圧電体
を用いて構成してもよい。

【００５９】図２５は、本発明の第１０の実施形態に係
る角速度センサ１１０を表す。角速度センサ１１０で
は、センサ部１１０ａと回路部１１０ｂとが一体となっ
ている。センサ部１１０ａは角速度センサ１０１と同一
の構成である。回路部１１０ｂは、センサ部１１０ａの
駆動用圧電素子４０を駆動するための駆動回路９３、お
よび、センサ部１１０ａの検出用圧電素子５０，６０か
らの信号を検出するための、例えば図７に示したような
検出回路９４が形成されている。より具体的には、Ｈ型
振動子１０、フレーム２０およびトーションバー３０を
形成する際のシリコン基板として、駆動回路９３および
検出回路９４を形成するための領域を有するものを用意
し、当該シリコン基板に対して、図９〜図１１を参照し
て説明したようにＨ型振動子１０、フレーム２０および
トーションバー３０を形成する。これとともに、駆動回
路９３および検出回路９４並びにこれらを駆動用圧電素
子４０および検出用圧電素子５０，６０に接続するため
に必要な配線構造を形成する。このような一体構成によ
り、センサ部１１０ａに対する駆動回路９３および検出
回路９４の配設が容易化される。なお、本実施形態の駆
動用圧電素子４０および検出用圧電素子５０，６０は、
第２の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても
よい。

【００６０】以上のまとめとして、本発明の構成および
そのバリエーションを以下に付記として列挙する。

【００６１】（付記１）第１の面およびこれとは反対の
第２の面により規定される厚みを有する基板に対して前
記厚みの方向にエッチングを施すことにより一体成形さ
れた、フレームと、振動子と、前記フレームおよび前記
振動子を連結するためのトーションバーと、を備える角
速度センサであって、前記振動子は、支持部と、当該支
持部から前記基板の面内方向に延出する一対の第１アー
ムと、前記面内方向において前記第１アームとは反対方
向に前記支持部から延出する一対の第２アームとを有す
るＨ型振動子であり、前記Ｈ型振動子の第１の面には、
前記振動子の面内振動を励起するための駆動用圧電素子
と、前記振動子の面垂直振動を検出するための検出用圧
電素子とが設けられていることを特徴とする、角速度セ
ンサ。 （付記２）前記Ｈ型振動子は、アーム延出方向に対して
平行であって互いに直交する２つの対称面を有する形状
とされている、付記１に記載の角速度センサ。 （付記３）前記駆動用圧電素子は前記第１アームに設け
られ、前記検出用圧電素子は前記第２アームに設けられ
ている、付記１または２に記載の角速度センサ。 （付記４）前記駆動用圧電素子は、前記一対の第１アー
ムと前記支持部とにより規定される又部に設けられ、前
記検出用圧電素子は、少なくとも前記第２アームに設け
られている、付記１または２に記載の角速度センサ。 （付記５）前記駆動用圧電素子は、Ｈ型振動子のアーム
延出方向に延びる仮想中心線に対して対称に複数個設け
られている、付記１から４のいずれか１つに記載の角速
度センサ。 （付記６）前記駆動用圧電素子および／または前記検出
用圧電素子は、スパッタリング、蒸着、または印刷によ
り成膜された圧電膜と当該圧電膜を挟む一対の電極によ
って構成されている、付記１から５のいずれか１つに記
載の角速度センサ。 （付記７）前記駆動用圧電素子および／または前記検出
用圧電素子は、成形加工された圧電体と当該圧電体を挟
む一対の電極によって構成されている、付記１から５の
いずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記８）前記基板は低抵抗基板であり、前記駆動用圧
電素子および／または前記検出用圧電素子は、絶縁膜を
介して前記Ｈ型振動子上に設けられている、付記１から
７のいずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記９）前記基板は高抵抗基板であり、前記駆動用圧
電素子および／または前記検出用圧電素子は、絶縁膜を
介さずに前記Ｈ型振動子上に直接的に設けられている、
付記１から７のいずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記１０）前記一対の第１アームは、平行に離隔する
とともに前記フレームに対して平行に形成されており、
前記一対の第２アームは、平行に離隔するとともに前記
フレームに対して平行に形成されており、前記一対の第
１アームの離隔距離と、前記一対の第２アームの離隔距
離と、前記第１アームおよび前記フレームの離隔距離
と、前記第２アームおよび前記フレームの離隔距離とは
等しい、付記１から９のいずれか１つに記載の角速度セ
ンサ。 （付記１１）前記一対の第１アームは平行に離隔すると
ともに前記一対の第２アームは平行に離隔しており、前
記基板に対する前記エッチングは、前記フレームへと形
成される部位と前記Ｈ型振動子へと形成される部位との
間において、前記フレーム、前記Ｈ型振動子および前記
トーションバーをマスクするための主レジストパターン
に対して、前記一対の第１アームの離隔距離および前記
一対の第２アームの離隔距離と同一の距離を隔てて設け
られたエッチング幅調整用レジストパターンを介して行
われている、請求項１から９のいずれか１つに記載の角
速度センサ。 （付記１２）前記エッチング幅調整用レジストパターン
は、前記主レジストパターンにおける前記フレームをマ
スクするための部位に接続しており、前記基板において
前記エッチング幅調整用レジストパターンにマスクされ
ていた部位は、前記フレームに固定されている、請求項
１１に記載の角速度センサ。 （付記１３）更に、前記フレームから前記トーションバ
ーを通って前記駆動用圧電素子または前記検出用圧電素
子に接続するようにパターン形成された配線を有する、
付記１から１２のいずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記１４）前記基板には、前記駆動用圧電素子に電気
的に接続された駆動回路と、前記検出用圧電素子に電気
的に接続された検出回路が設けられている、付記１から
１３のいずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記１５）前記一対の第１アームおよび前記一対の第
２アームの先端には、嵩高部が形成されている、付記１
から１４のいずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記１６）前記一対の第１アームおよび前記一対の第
２アームの先端には、重り部が設けられている付記１か
ら１５のいずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記１７）アーム延出方向において、前記一対の第１
アームおよび前記一対の第２アームは前記支持部よりも
短い、付記１から１６のいずれか１つに記載の角速度セ
ンサ。 （付記１８）前記トーションバーは、前記Ｈ型振動子の
前記支持部と前記フレームとを連結している、付記１か
ら１７のいずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記１９）前記トーションバーの厚みは、前記基板の
厚みに等しい若しくは前記基板の厚みよりも薄い、付記
１から１８のいずれか１つに記載の角速度センサ。 （付記２０）前記トーションバーの延び方向に対する横
断面形状は、当該断面の中心を通って直交する２軸に対
して対称な形状である、付記１から１９のいずれか１つ
に記載の角速度センサ。 （付記２１）前記トーションバーは、前記支持部に連結
する一対のトーションバーからなり、前記一対のトーシ
ョンバーの重心位置は、Ｈ型振動子の重心位置と同一で
ある、請求項１から２０のいずれか１つに記載の角速度
センサ。

【００６２】

【発明の効果】本発明によると、生産性に優れるととも
に、小型で高性能な角速度センサを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの
平面図である。

【図２】図１の線II−IIに沿った部分断面図である。

【図３】図１の線III−IIIに沿った断面図である。

【図４】エッチング幅調整用レジストパターンを有する
レジストパターンを表す。

【図５】エッチング幅調整用レジストパターンを有する
別のレジストパターンを表す。

【図６】Ｈ型振動子の駆動モードにおける歪量グラフで
ある。

【図７】本発明の角速度センサで採用することのできる
検出回路である。

【図８】図１に示す角速度センサをパッケージングした
場合の、図１の線II−IIに沿った断面図である。

【図９】図１に示す角速度センサの製造方法における一
部の工程を表す。

【図１０】図９に続く工程を表す。

【図１１】図９に続く他の工程を表す。

【図１２】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ
の平面図である。

【図１３】図１２の線XIII−XIIIに沿った断面図であ
る。

【図１４】図１２に示す角速度センサの製造方法におけ
る一部の工程を表す。

【図１５】図１４に続く工程を表す。

【図１６】本発明の第３の実施形態に係る角速度センサ
の平面図である。

【図１７】本発明の第４の実施形態に係る角速度センサ
の平面図である。

【図１８】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサ
の平面図である。

【図１９】図１８に示す角速度センサに対する印加電圧
を表すグラフである。

【図２０】本発明の第６の実施形態に係る角速度センサ
の平面図である。

【図２１】図２０に示す角速度センサに対する印加電圧
を表すグラフである。

【図２２】本発明の第７の実施形態に係る角速度センサ
を表す。

【図２３】本発明の第８の実施形態に係る角速度センサ
を表す。

【図２４】本発明の第９の実施形態に係る角速度センサ
を表す。

【図２５】本発明の第１０の実施形態に係る角速度セン
サを表す。

【図２６】従来のビーム型角速度センサの一例を表す。

【図２７】従来の音叉型角速度センサの一例を表す。

【符号の説明】

１０１〜１１０ 角速度センサ １０ Ｈ型振動子 ２０ フレーム ３０ トーションバー ４０，４０’，４５，４６，４７，４８ 駆動用圧
電素子 ５０，６０，７０，７０’，８０，８０’ 検出用圧
電素子 ４１，５４，６７ 下部電極 ４２，５５，６８ 圧電膜 ４２’，５５’，６８’ 圧電体 ４３，５６，６９ 上部電極 ８１，８４，８７ 下部電極パッド ８３，８６，８９ 上部電極パッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 町田 敦司 長野県須坂市大字小山460番地 富士通メ ディアデバイス株式会社内 (72)発明者 藁科 卓 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 石川 寛 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 宮下 勉 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 佐藤 良夫 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 AA02 AA08 BB01 BB13 CC01 CD02 CD06

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の面およびこれとは反対の第２の面
   により規定される厚みを有する基板に対して前記厚みの
   方向にエッチングを施すことにより一体成形された、フ
   レームと、振動子と、前記フレームおよび前記振動子を
   連結するためのトーションバーと、を備える角速度セン
   サであって、 前記振動子は、支持部と、当該支持部から前記基板の面
   内方向に延出する一対の第１アームと、前記面内方向に
   おいて前記第１アームとは反対方向に前記支持部から延
   出する一対の第２アームとを有するＨ型振動子であり、 前記Ｈ型振動子の第１の面には、前記振動子の面内振動
   を励起するための駆動用圧電素子と、前記振動子の面垂
   直振動を検出するための検出用圧電素子とが設けられて
   いることを特徴とする、角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記駆動用圧電素子は、前記一対の第１
   アームと前記支持部とにより規定される又部に設けら
   れ、前記検出用圧電素子は、少なくとも前記第２アーム
   に設けられている、請求項１に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記駆動用圧電素子は、Ｈ型振動子のア
   ーム延出方向に延びる仮想中心線に対して対称に複数個
   設けられている、請求項１または２に記載の角速度セン
   サ。
4. 【請求項４】 更に、前記フレームから前記トーション
   バーを通って前記駆動用圧電素子または前記検出用圧電
   素子に接続するようにパターン形成された配線を有す
   る、請求項１から３のいずれか１つに記載の角速度セン
   サ。
5. 【請求項５】 前記基板には、前記駆動用圧電素子に電
   気的に接続された駆動回路と、前記検出用圧電素子に電
   気的に接続された検出回路が設けられている、請求項１
   から４のいずれか１つに記載の角速度センサ。