JP2004251663A - 角速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】感度よく回転角速度を検知できる角速度センサを提供する。
【解決手段】支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂと第２アーム１３ａ，１３ｂとを有するＨ型振動子１０を備えた角速度センサ１０１において、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの根元を細くすることで、この部分の剛性を低下させる。具体的には、根元に溝２１〜２４，３１〜３４を形成する。若しくは、第１及び第２アーム１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを支持する支持部１１に、中心Ｃに対して点対称の穴２５，２６を設け、支持部１１の剛性を低下させる。このほか、各アーム若しくは支持部１１を挟むように駆動用圧電素子４０ａ，４０ｂ、検出用圧電素子５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂを形成することで、駆動効率の向上及び差動信号によるＳ／Ｎ比の向上を図る。
【選択図】 図８
【解決手段】支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂと第２アーム１３ａ，１３ｂとを有するＨ型振動子１０を備えた角速度センサ１０１において、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの根元を細くすることで、この部分の剛性を低下させる。具体的には、根元に溝２１〜２４，３１〜３４を形成する。若しくは、第１及び第２アーム１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを支持する支持部１１に、中心Ｃに対して点対称の穴２５，２６を設け、支持部１１の剛性を低下させる。このほか、各アーム若しくは支持部１１を挟むように駆動用圧電素子４０ａ，４０ｂ、検出用圧電素子５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂを形成することで、駆動効率の向上及び差動信号によるＳ／Ｎ比の向上を図る。
【選択図】 図８
Description
【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角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を使用した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や検知技術，カーナビゲーションの自立走行システム，サイド・エアバック開放タイミング用のロール角検知，車やロボットの姿勢制御用等において、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及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及び音叉型のものがある。図４５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４５（ａ）は、角速度センサ８００の斜視図であり、図４５（ｂ）は、図４５（ａ）の線Ｂ１−Ｂ１に沿った断面図である。角速度センサ８００は、ビーム形状乃至直方状の振動子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８１０は、エリンバ等の恒弾性金属を含んで構成され、接地されている。支持ワイヤ８２０にはピアノ線等が用いられる。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とを有する。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８４２とを有する。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。即ち、振動子８１０の屈曲振動は、Ｘ軸方向及び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乃至角速度ωに比例した出力が得られる。
【０００５】
図４６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９００は、音叉形状の振動子９１０と、駆動用圧電素子９２０と、一対の検出用圧電素子９３０とを備える。振動子９１０は、エンリバ等の恒弾性金属を含み、又部９１１と、これから延出する２本のアーム９１２，９１３とを有して構成され、接地されている。アーム９１２は、駆動板９１２ａ及びこれに直交して接合された検出板９１３ｂを有する。駆動用圧電素子９２０は、アーム９１２の駆動板９１２ａに設けられ、圧電体９１２と、これに積層形成された電極９２２とを有する。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とを有する。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及びアーム９１２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９１０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乃至角速度ωに比例した出力が得られる。
【０００７】
以上のようなコリオリ力Ｆを利用した振動型角速度センサ（ジャイロ）は、フォトリソグラフィーをはじめとした半導体加工技術を用いて小型化することが望まれている。例えば、振動子部分を水晶等の圧電素子で形成したジャイロ等は以下に示す特許文献１等で、また、振動子部分に半導体基板を使って形成したジャイロ等は以下に示す特許文献２又は３等で、その小型化が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２０６１６２号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３７２４７号公報
【特許文献３】
特開平１０−４７９７１号公報
【０００９】
しかしながら、以上の文献で開示されたように半導体技術を用いて角速度センサを小型化した場合、振動子質量ｍが小さくなり、発生するコリオリ力Ｆが減少する。このため、角速度センサの感度が低下してしまうという問題が発生する。尚、低下した感度を補うために、後段にアンプを設けることは、所望の信号以外にノイズも増幅してしまうため、Ｓ／Ｎ比が劣化する。従って、角速度センサの感度を向上させるためには、ノイズ成分を減らすか、振動子単体での高感度化を図ることが重要な課題となっている。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決することを目的としており、例えば半導体技術を用いて小型化された場合でも、感度よく回転角速度を検知できる角速度センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、請求項１記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部を有して構成され、この構成において、前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端が該第１又は第２の腕部の胴体幅よりも細くなっている。振動部分である腕と該腕から伝播した振動を検出する腕との根元部分を胴体部分よりも細くすることで、この根元部分の剛性が低下するため、実質的な腕の長さが長くなる。従って、面内振動で腕が開閉する駆動モードにおける腕のモーメントを増大させることができ、この結果、アームの駆動速度を増加させることが達成されるため、回転角速度が加わった際に発生するコリオリ力が大きくなり、角速度センサの高感度化を図ることができる。尚、この効果は、例えば半導体技術を用いて小型化された角速度センサでも同様にすることができる。
【００１２】
また、請求項１記載の前記角速度センサは、例えば請求項２記載のように、前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端に溝を有することで、上記した根元部分を細くすることを達成してもよい。
【００１３】
また、請求項２記載の前記溝は、例えば請求項３記載のように、前記腕部を外周するように形成されていてもよい。
【００１４】
また、本発明は、請求項４記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部と、該支持部に形成された２つ以上の穴とを有して構成される。振動部分である腕と発生した振動を検出するための腕とを連結する支持部に穴を設けることで、この部分の剛性が低下する。連結部（支持部）の剛性を低下させることで、振動部分の腕で発生した振動を検出用の腕に効率よく伝播させることが可能となる。従って、発生した振動を効率よく検出することが可能となる。即ち、角速度センサの感度が向上される。また、上記のように腕を支持する支持部の剛性を低下させることは、腕自体の自由度を増大させることにも繋がるため、結果として面内振動で腕が開閉する駆動モードにおける腕のモーメントを増大させることができ、アームの駆動速度を増加させることが達成される。これにより、回転角速度が加わった際に発生するコリオリ力が大きくなり、角速度センサの高感度化を図ることができる。尚、これらの効果は、例えば半導体技術を用いて小型化された角速度センサでも同様にすることができる。
【００１５】
また、請求項４記載の前記穴は、好ましくは請求項５記載のように、前記支持部の中心に関して点対称に形成される。２対の腕を効率よく共振させるためには、振動子自体の対称性を保つことが重要である。従って、この振動子に形成する穴にも対称性が要求される。
【００１６】
また、本発明は、請求項６記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の圧電素子の少なくとも一方が前記腕部の胴体部分であって対向する２面に形成された構成を有する。駆動モードでは、振動部分の腕の側面が印加された高周波信号に基づいて伸縮を繰り返す。そこで、圧電定数ｄ３１を有効に活用するために、この伸縮部分を挟み込むように圧電素子を形成する。これにより、振動側の腕の振幅を増大することができ、対応する形で検出側の腕に伝播する振動の振幅を増大することができる。検出側の腕における振幅が増大するということは、検出される信号の振幅も増大するということに繋がるため、結果的に角速度センサの検出感度を向上させることが可能となる。また、検出モードでは、腕を挟み込むように圧電素子を形成することで、これらから出力された２つの信号を差動信号として使用することが可能となる。このように差動信号を使用することで、外来ノイズ等による影響を排除でき、Ｓ／Ｎ比が向上される。従って、角速度センサの検出感度を向上させることができる。
【００１７】
また、請求項７記載のように、請求項１から６の何れか１項に記載の前記第１及び／又は第２の圧電素子は、第１及び第２の電極膜で挟まれた圧電体を含んで構成され、同じく前記第１の電極膜は、少なくとも前記圧電体を位置決めするための凸部を有して構成されることが好ましい。これにより、例えばバルク等で作製した圧電素子の振動子への貼り合わせを正確且つ容易に行うことが可能となり、角速度センサの歩留り及び製造効率を向上させることが可能となる。
【００１８】
また、請求項１から６の何れか１項に記載の前記支持部と前記第１の腕部と前記第２の腕部とのうち少なくとも１つは、請求項８記載のように、前記第１及び／又は第２の圧電素子を位置決めするための凸部又は凹部を有して構成されることが好ましい。これにより、例えばバルク等で作製した圧電素子の振動子への貼り合わせを正確且つ容易に行うことが可能となり、角速度センサの歩留り及び製造効率を向上させることが可能となる。
【００１９】
また、請求項１から８の何れか１項に記載の前記第１及び／又は第２の圧電素子は、例えば請求項９記載のように、樹脂により前記支持部と前記第１又は第２の腕部とのうち少なくとも一方に固定されているように構成することもできる。
【００２０】
尚、請求項９記載の前記樹脂は、請求項１０記載のように、導電性樹脂又は異方性導電性樹脂であることが好ましい。
【００２１】
また、例えば請求項１１記載のように、請求項１から８の何れか１項に記載の前記第１及び／又は第２の圧電素子は、少なくとも１面に第１の金属膜を有し、同じく前記支持部と前記第１又は第２の腕部の少なくとも一方は、前記第１又は第２の圧電素子を接合するための第２の金属膜を有して構成されていても良い。このように各構成の接合面に第１及び第２の金属膜を形成しておくことで、両者を直接接合することが可能となり、前記第１又は第２の圧電素子を良好な導電性を有しつつ確実に固定することが可能となる。
【００２２】
また、本発明は、請求項１２記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第１の腕部を該第１の腕部の表面に形成された第１の電極膜を用いて振動させる振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第２の腕部に発生した振動を該第２の腕部の表面に形成された第２の電極膜を用いて検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部を有して構成され、この構成において、前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端が該第１又は第２の腕部の胴体幅よりも細くなっている。このように、腕の根元を細くすることで得られる高感度化の効果は、材料基板に圧電基板を用いて角速度センサを構成した場合でも奏することができる。
【００２３】
また、本発明は、請求項１３記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第１の腕部を該第１の腕部の表面に形成された第１の電極膜を用いて振動させる振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第２の腕部に発生した振動を該第２の腕部の表面に形成された第２の電極膜を用いて検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部と、該支持部に形成された２つ以上の穴とを有して構成される。このように、支持部に穴を設けることで得られる高感度化の効果は、材料基板に圧電基板を用いて角速度センサを構成した場合でも奏することができる。
【００２４】
また、請求項１４記載のように、請求項１から１３の何れか１項に記載の前記第１又は第２の腕部の断面は、２本の該第１又は第２の腕部が延在する面に対して垂直で且つ該第１又は第２の腕部の長手方向と平行な面に関して面対称を成し、同じく前記第１及び第２の腕部と前記支持部とを含む振動子は、該支持部の中心に関して点対称を成しているように構成されていることが好ましい。第１及び第２の腕と支持部とで構成された振動子の対称性を確保することで、駆動側において効率良く振動を発生することが可能となる。また、この発生した振動を効率よく検出側へ伝播させることが可能となる。更に、検出した信号に重畳されるノイズも低減されるため、より高感度化を図ることが可能となる。
【００２５】
また、請求項１から１４の何れか１項に記載の前記角度センサは、請求項１５記載のように、前記支持部と前記第１及び第２の腕部との外周に形成されたフレームと、該フレームと前記支持部とを連結して固定するトーションバーとを有し、前記トーションバーが前記支持部の厚さよりも薄く形成されていることが好ましい。このように支持部及び腕を有して構成される振動子を支持するトーションバーの剛性を支持部よりも低く構成することで、トーションバーにおける振動の減衰を極力抑えることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適に実施した形態について説明するにあたり、本発明の基本構成について図面を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明では、Ｈ型圧電振動ジャイロタイプの角速度センサについて例を挙げて説明する。
【００２７】
図１から図３は、本発明による角速度センサ１００の基本構成を示す平面図である。尚、図１は角速度センサ１００の平面図を示し、図２及び図３は、図１の線ＩＩ−ＩＩ及び線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図を示す。
【００２８】
図１に示すように、角速度センサ１００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及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２０及びトーションバー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）又は結晶異方性エッチングを施すことによって、一体形成されたものである。具体的には、例えば厚さ５００μｍ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、或いは、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。尚、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥを採用する場合、エッチングと側壁保護とを交互に行う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秒間程度行う。この際、ウェハに印加するバイアスは２０Ｗ程度とする。また、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を用いる。
【００２９】
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とを有して構成されている。即ち、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂは、支持部１１に支持されるように、支持部１１とモノリシックに一体形成されている。本基本構成では、例えば支持部１１の長さＬ１を１０００μｍ，幅Ｌ２を１１００μｍ，厚さを上述の材料基板（例えばシリコン基板）の厚さと同じ５００μｍとする。一対の第１アーム１２ａ，１２ｂは、それぞれ長手方向（Ｚ方向）に対して平行で且つ互いに平行な２面を含んで構成され、これらが互いに同一形状を有して平行に延びている。それぞれのアームは、例えば長さＬ３が２５００μｍ，幅Ｌ４が５００μｍ，厚さが材料基板と同じ５００μｍであって、互いの離隔距離Ｌ５が１００μｍである。同様に、一対の第２アーム１３ａ，１３ｂは、それぞれ長手方向（Ｚ方向）に対して平行で且つ互いに平行な２面を含んで構成され、互いに同一形状を有して平行に延びており、例えば長さＬ３が２５００μｍ，幅Ｌ４が５００μｍ，厚さが５００μｍであって、互いの離隔距離Ｌ５が１００μｍである。Ｈ型振動子１０は、図１及び図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−Ａ１を有すると共に、アーム延出方向に対して平行であって対称面Ａ１−Ａ１に対して直行する対称面Ａ２−Ａ２を有する対称性の高い形状に形成されている。
【００３０】
基板材料からの一体形成において、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを採用すると、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第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及び第２アーム１３ａ，１３ｂは、表面幅Ｌ４よりも太い最大幅Ｌ４’を有するものとなる。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５００μｍ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性の高い形状とすることで、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。
【００３１】
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のアーム延出方向における中央に位置する支持部１１にてＨ型振動子１０をフレーム２０に固定している。本基本構成では、例えばトーションバー３０の長さＬ６を５００μｍ，幅Ｌ７を５００μｍ，厚さＬ８を５００μｍとする。トーションバー３０の断面形状は、材料基板からの一体形成において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。また、例えば図３（ｃ）に示すように、トーションバー３０の断面の幅を他の構成よりも薄くすることで、第１アーム側に生じた振動を低減衰で第２アーム側へ伝播させることが可能となる。これは、例えばＲＩＥ等のエッチングを用いて加工することが可能である。このように、トーションバー３０の断面形状は、強度およびセンサ性能の観点から、当該断面の中心を通って直行する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の断面をより小寸法に設計しても良い。具体的には、トーションバー３０の幅Ｌ７を小さくすると共に、厚さＬ８を材料基板の厚さ５００μｍより小さくする。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。本発明において、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り、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共に厚みを小さくし、且つ、一対のトーションバー３０の各々の重心を通る軸上に支持部１１の在るＨ型振動子１０の重心が載るようにすることによって、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共に、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１００を製造することが可能となる。
【００３２】
本基本構成において、例えばフレーム２０のアーム延出方向の長さＬ９を７０００〜９０００μｍとし、幅Ｌ１０を３１００〜４１００μｍとした。また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂとフレーム２０との離隔距離Ｌ１１をトーションバー３０の長さＬ６に等しい５００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２ｂ間の離隔距離Ｌ５を１００μｍとした。また、図１に示すように、第１アーム２０との離隔距離Ｌ１１’も５００μｍとした。
【００３３】
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’、即ち、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おり、第１アーム１２ａ，１２ｂを入力された高周波振動に基づいて振動させる。即ち、駆動用圧電素子４０は第１アーム１２ａ，１２ｂと一体となって振動の発生源（振動部）として機能する。
【００３４】
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とを含んだ積層構造を有する。下部電極４１は、何れか一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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、酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），ＰＺＴ（ペロブスカイト型の結晶構造を持つ酸化物強誘電体）等を主成分として構成される。また、電極４１，４３は、アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），金（Ａｕ）等を主成分として構成される。
【００３５】
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、及び、第２アーム１３ｂと支持部１１との接合部に各々設けられており、第２アーム１３ａ，１３ｂに発生した振動を電圧値に変換して、それぞれ出力する。即ち、検出用圧電素子５０，６０は、第２アーム１３ａ又は１３ｂと一体となって発生した振動を検出する検出部として機能する。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。
【００３６】
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とを含む積層構造を有する。下部電極５４は、一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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とを含んだ積層構造を有する。下部電極６７は、一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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等を主成分として構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等を主成分として構成される。
【００３７】
このような構成の角速度センサ１００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又は図４に示すＸ軸方向において、互いに逆位相で屈曲振動乃至面内振動Ｖ１，Ｖ２する（駆動モード）。これに伴い、第２アーム１３ａ，１３ｂも、Ｘ軸方向において、互いに逆位相で屈曲振動乃至面内振動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のサイズ条件等によって決まるところ、上述した具体的寸法による構成例では約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１００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軸方向即ち図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、面垂直方向即ちＹ軸方向にも振動するようになる（検出モード）。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５０，６０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乃至角速度ωに比例した出力が得られる。
【００３８】
図５に、本基本構成による角速度センサ１００におけるＨ型振動子１０の部位の歪み量を示す。図５を参照すると明らかなように、Ｈ型振動子１０が面内振動を行う駆動モードにおいて、最も歪みの大きな部分は、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂとによって規定される又部１１’、及び、支持部１１と第２アーム１３ａ，１３ｂとによって規定される又部１１’である。そのため、本基本構成では、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の駆動を効率よく行うことができる。
【００３９】
第１アーム１３ａに配設した検出用圧電素子５０からの検出信号、及び、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６に示すような差動回路として構成された検出回路で取り出すことができる。図６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共に、外来ノイズを低減することもできる。尚、図６に示す差動回路において、図中の二点鎖線より左側の領域のゲインは１＋（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１で表され、二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。
【００４０】
また、上述した基本構成は、例えば図７に示すように変形することも可能である。図７に示す角速度センサ１００ａは、図１に示す角速度センサ１００と比較して、支持部１１の長さＬ１がアームの長さＬ３と同程度とされている点、即ち、支持部１１がアーム方向に長く構成されている点と、駆動用圧電素子４０が第１アーム１２ａ，１２ｂの又部１１’に接するように支持部１１上に形成されている点とが異なる。このように構成しても、上述の角速度センサ１００と同一の断面形状を有し、且つ同様な効果を得ることができる。
【００４１】
〔第１の実施形態〕
次に、上述した基本構成を発展させた本発明による角速度センサを、以下に第１の実施形態として図面を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明では、角速度センサ１００ａを基本として発展させた場合について例に挙げ、且つ同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
図８は、本実施形態に係る角速度センサ１０１の構成を示す平面図である。図１に示すように、角速度センサ１０１は、図１又は図７に示す角速度センサ１００，１００ａと同様に、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及び一対の検出用圧電素子５０，６０とを有する。
【００４３】
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とを有して構成されている。一対の第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂは、互いに同一形状を有して平行に延在している。また、図８における線ＩＩ−ＩＩに沿った断面に示される各アームの断面形状は、図２に示す形状と同一である。このように、Ｈ型振動子１０は、図８及び図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−Ａ１と有すると共に、アーム延出方向に対して平行であって対称面Ａ１−Ａ１に対して直行する対称面Ａ２−Ａ２を有する対称性の高い形状に形成されている。
【００４４】
一対のトーションバー３０は、図１と同様に、Ｈ型振動子１０のアーム延出方向における中央に位置する支持部１１にてＨ型振動子１０をフレーム２０に固定している。また、図８における線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面に示される各トーションバー３０の断面形状は、図３に示す形状と同一である。但し、上述にもあるように、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共に厚みを小さくし、且つ、一対のトーションバー３０の重心を支持部１１の在る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共に、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１００を製造することが可能となる。
【００４５】
駆動用圧電素子４０は、図７と同様に、第１アーム１２ａ，１２ｂと支持部１１とにより規定される又部１１’に接するように支持部１１上に設けられており、下部電極４１及び上部電極４３と、これらに挟まれた圧電膜４２とを含んだ積層構造を有している。破線で示す下部電極４１は、何れか一方のトーションバー３０の上を通るように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。上部電極は、もう一方のトーションバー３０の上を通るように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。両電極４１、４３に挟まれた圧電膜４２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），ＰＺＴ（ペロブスカイト型の結晶構造を持つ酸化物強誘電体）等を主成分として構成される。尚、電極４１，４３は、アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），金（Ａｕ）等を主成分として構成される。
【００４６】
検出用圧電素子５０，６０は、図１又は図７と同様に、第２アーム１３ａと支持部１１との接合部、及び、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。検出用圧電素子５０は、下部電極５４及び上部電極５６と、これらに挟まれた圧電膜５５とを含む積層構造を有する。下部電極５４は、一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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及び上部電極６９と、これらに挟まれた圧電膜６８とを含んだ積層構造を有する。下部電極６７は、一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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等を主成分として構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等を主成分として構成される。
【００４７】
このような構成において、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの付け根には、図８に示すような溝２１，２２，２３，２４，３１，３２，３３，３４が形成されている。換言すれば、各アームの支持部１１側の端（これを根元とする）がアームの胴体幅よりも細く形成されている。アームの根元を細くすることで、この部分の剛性を低下させることができる。このように、アームの根元の剛性を低下させることで、見かけ上のアームの長さが長くなり、Ｈ型振動子１０の面内振動でアームが開閉する駆動モードにおけるアームのモーメントを増大させることができる。この結果、同一の共振周波数に対してアームの駆動速度Ｖ１（Ｖ２）を増加させることが達成されるため、回転角速度Ωが加わった際に発生するコリオリ力が大きくなり、角速度センサ１０１の高感度化を図ることができる。
【００４８】
また、図８に示す線ＩＶ−ＩＶに沿った材料基板のみの断面形状を図９に示す。図８及び図９に示すように、各アームの根元にそれぞれ深さＬ１２の溝２１〜２４，３１〜３４が設けられている。この溝２１〜２４，３１〜３４は、Ｈ型振動子１０の耐久性を鑑みて、最も深く形成されることが好ましい。例えばアームの胴体幅Ｌ４を５００μｍとした場合、深さＬ１２を１００μｍ程度とすることで、Ｈ型振動子１０に要求する耐久性を満足しつつ、感度を向上させることができる。
【００４９】
図１０に、本実施形態による角速度センサ１０１におけるＨ型振動子１０の各部の歪み量を示す。図１０を参照すると明らかなように、Ｈ型振動子１０が面内振動を行う振動モードにおいて、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂとによって規定される又部１１’、及び、支持部１１と第２アーム１３ａ，１３ｂとによって規定される又部１１’、即ち、溝２１〜２４，３１〜３４が形成された部分における歪み量が、図５に示すグラフ（溝の無い状態）と比較して、増加している。そのため、この部分に配設された検出用圧電素子５０，６０を介して感度良く検出を行うことが可能となったことがわかる。
【００５０】
尚、第１アーム１３ａに配設した検出用圧電素子５０からの検出信号、及び、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、上述と同様に、図６に示すような差動回路として構成された検出回路で取り出すことができる。
【００５１】
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及び図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１１及び図１２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及びトーションバー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１１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１２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１１６’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及びエッチング幅調整用レジストパターン１１６’の離隔距離Ｌ１２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Ｌ１１，Ｌ１１’とが異なるところ、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、図１１及び図１２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１２ａ，１２ｂ，及び第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。更に、このレジストパターン１１６に予め溝２１〜２４，３１〜３４作成用の窪み２１’〜２４’，３１’〜３４’を設けておくことで、エッチングの際に同時に溝２１〜２４，３１〜３４も形成することが可能となる。
【００５２】
但し、図１１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が、シリコン基板乃至フレーム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、又は、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つける可能性がある。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（但し、Ｈ型振動子１０における駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０が形成される面を表面とする）に二酸化シリコン（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膜又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１２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分を介してシリコン基板乃至フレーム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無い。
【００５３】
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及び第２アーム１３ａ，１３ｂとフレームとの離隔距離Ｌ１１を２００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２ｂ間の離隔距離及び第２アーム１３ａ，１３ｂ間の離隔距離Ｌ５を２００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの先端とフレーム２０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良い。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。
【００５４】
次に、上述した角速度センサ１０１をパッケージングした場合の構成を図１３を用いて説明する。図１３は、図８の線ＩＩ−ＩＩに沿ってパッケージごと角速度センサ１０１を切断した際の断面形状を示す図である。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を介して一体形成された構造をとる。そのため、角速度センサ１０１のパッケージングは、図１３（ａ）に示すように、陽極接合法や直接接合法等によって、ガラスやシリコン（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１３（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又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、陽極接合法や直接接合法等によって、角速度センサ１０１に接合しても良い。
【００５５】
次に、本実施形態による角速度センサ１０１の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００５６】
図１４及び図１５に、図８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示す。尚、図１４及び図１５では、製造工程における、図８の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面形状の様子を表す。また、材料基板にはシリコン基板Ｓを使用する。
【００５７】
角速度センサ１０１の製造において、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、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を有してなる酸化膜１２１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等にパターン形成される金属膜１２２を、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料のスパッタリング又は蒸着等により成膜する。酸化膜１２１の膜厚は例えば０．２μｍ程度であり、金属膜１２２の膜厚は例えば０．１μｍ程度である。酸化膜１２１は、シリコン基板Ｓとして抵抗率がおよそ１０００Ω・ｃｍ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。従って、シリコン基板Ｓとして、抵抗率がおよそ１０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗基板を使用する場合には、酸化膜１２１は成膜しなくともよい。
【００５８】
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１２２をエッチングする。エッチングは、ドライエッチング又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，硝酸等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４１，５４，６７がパターン形成され、フレーム２０に形成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７１，７４，７７がパターン形成される。
【００５９】
次に、図１４（ｃ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ等の圧電材料をスパッタリング，蒸着，又は印刷等によって、圧電薄膜１２３を積層形成する。圧電薄膜１２３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１４（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１２３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、酢酸水溶液等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。
【００６０】
次に、図１４（ｅ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、金属膜１１４を、Ａｌ等の金属材料のスパッタリング又は蒸着等により成膜する。金属膜１１４の膜厚は例えば１μｍ程度である。そして、図１４（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、ドライエッチング又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、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）及び塩素（Ｃｌ２）の混合ガス等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。
【００６１】
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５０，６０、及びこれらに伴う配線構造を形成した後、図１５（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１５（ｂ）に示すように、露光及び現像を経てフォトレジスト１１５をパターニングすることで、図１１又は図１２に示すようなレジストパターン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，及びトーションバー３０に対応する平面視形態を有し、駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０を覆っている。
【００６２】
次に、図１５（ｃ）に示すように、レジストパター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、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体形成される。且つ、この際、溝２１〜２４，３１〜３４も一緒に形成される。この後、図１５（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及び検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速度センサ１０１が完成する。但し、本発明では、図１５（ｂ）に示す工程において、図１１又は図１２を参照して上述したように、レジストパターン１１６と共にエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を形成しても良い。これによって、図１５（ｃ）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。
【００６３】
図１５では、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，及びトーションバー３０の一体形成に際して、片面エッチングを採用する場合の工程を表した。本実施形態では、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１４に示す一連の工程の後に、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）を参照して説明した工程を経て、図１６（ａ）に示すような状態とする。即ち、シリコン基板Ｓに対してフォトレジスト１１５を積層し、露光及び現像を経てレジストパターン１１６を形成する。次に、図１６（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との基板上位半分が形成されたこととなる。
【００６４】
次に、図１６（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１６（ｄ）に示すように、露光及び現像を経て、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１６（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１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体形成される。この後、図１６（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及び検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速度センサ１０１が完成する。但し、本発明では、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示す工程において、図１１又は図１２を参照して上述したように、レジストパターン１１６，１１８と共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１６（ｂ）及び図１６（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。
【００６５】
また、以上の製造方法では、スパッタリング又は蒸着法等を用いて駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０を形成する場合を例に挙げていた。本実施形態では、これに代えて、駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０を形成する領域に導電性の樹脂を塗布し、これにバルクのＰＺＴ等の圧電体（圧電膜４２，５５，６８）を接着するように構成することも可能である。この際、塗布しておいた導電性の樹脂は、下部電極４１，５４，６７として機能する。また、圧電膜４２，５５，６８には予め上部電極４３，５６，６９を形成しておくと良い。このほか、下部電極４１，５４，６７を上述と同様にスパッタリング又は蒸着法等で形成し、且つ、圧電体（圧電膜４２，５５，６８）における下部電極４１，５４，６７との接着面に金属膜を形成しておき、両者を直接接合により接合するように構成することも可能である。この際、同様に、圧電膜４２，５５，６８には予め上部電極４３，５６，６９を形成しておくと良い。
【００６６】
また、以上では、Ｈ型振動子１０とフレーム２０とトーションバー３０とを一体形成する場合について例を挙げたが、本実施形態では、これに限定されず、例えば図１７に示すように、Ｈ型振動子１０及びトーションバー３０と、フレーム２０とを個別に形成し、これらを接合することで、角速度センサ１０１を作製することも可能である。
【００６７】
更に、本実施形態では、図７に示すような、駆動用圧電素子４０が又部１１’に接する支持部１１上に形成された角速度センサ１００ａを発展させた場合を例に挙げたが、歪みが最も発生する部位を考慮した場合、図１に示すような、駆動用圧電素子４０が又部１１’の側端を取り囲むように形成された角速度センサ１００に適用することもできる。この場合の構成及び製造方法は、上述より容易に想到し得るため、ここでは説明を省略する。
【００６８】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明において、上述と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６９】
図１８は、本実施形態に係る角速度センサ１０２の構成を示す平面図である。図１８に示すように、角速度センサ１０２は、図１，図７及び図８に示す角速度センサ１００，１００ａ，１０１と同様に、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及び一対の検出用圧電素子５０，６０とを有する。
【００７０】
この構成において、本実施形態では、第１の実施形態における溝２１〜２４，３１〜３４の代わりに、貫通穴２５，２６が設けられている。この貫通穴２５，２６は、支持部１１の剛性をＨ型振動子１０の中心（＝支持部１１の中心）に対して点対称に低減させ、支持部１１にバネ性を持たせるための構成である。即ち、Ｈ型振動子１０の中心に点対称に１つ以上の貫通穴２５，２６を設けることで、支持部１１の剛性が対称性良く低下する。貫通穴２５，２６の寸法は、例えばアームの延在方向と垂直方向の長さＬ１３を３００μｍ程度とし、アームの延在方向の長さＬ１４を１００μｍ程度とする。このような貫通穴２５，２６を複数設けることにより、駆動用圧電素子４０による歪み量及び検出用圧電素子５０，６０に入力される変位量が増加し、角速度センサ１０２の感度を向上させることが可能となる。
【００７１】
これを図１９を用いて詳細に説明する。尚、図１９では、Ｈ型振動子１０の第１アーム１２ａ，１２ｂ及び支持部１１にのみ着目し、且つ第１アーム１２ａ，１２ｂが開く若しくは閉じる場合を例に挙げて説明する。図１９（ａ）に示すように、アームを駆動用圧電素子４０を用いて開いた場合、若しくは、図１９（ｂ）に示すように、アームを閉じた場合、支持部１１には図示するような変形力が加わる。この変形力は、支持部１１の中央（対称面Ａ１−Ａ１が延在する位置を中央とする）付近と外側付近とで相反する方向へ働いている。支持部１１の剛性が高いと、生じた変形力により変形する量（変形量）が少ない。このため、検出用圧電素子５０，６０に入力する変位量も小さい。そこで、本実施形態のように、Ｈ型振動子１０の中心Ｃに対して対称に複数の貫通穴２５，２６を設けて支持部１１の剛性を低下させる。これにより、支持部１１中央と外側との変位量が大きくなる。即ち、検出用圧電素子５０，６０に入力する変位量が大きくなり、結果として、角速度センサ１０２の感度を向上させることができる。但し、支持部１１の中央及び外側付近貫通穴を設けた場合、発生した変形力が減衰してしまう。このため、支持部１１における中央側と外側との相対する変位を有効に生み出すために、貫通穴２５，２６を設ける位置は、支持部１１の中央及び外側以外の領域とすることが好ましい。尚、他の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７２】
また、参考として、貫通穴を点対称に２つ以上、例えば４つ（２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ）設けた場合のＨ型振動子１０の概略構成を図２０の平面図に示す。
【００７３】
また、本実施形態による角速度センサ１０２の製造方法では、例えば図２１又は図２２に示すような、貫通穴２５，２６を形成するための穴２５’，２６’を有するレジストパターン１１６が用いられる。このほかの工程は、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７４】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。上記した基本構成では、駆動用圧電素子４０と検出用圧電素子５０，６０とをＨ型振動子１０における表面（又は裏面）であって同一面上に形成していた。本発明では、これに限らず、例えば駆動用圧電素子４０及び／又は検出用圧電素子５０，６０を第１アーム１２ａ，１２ｂ又は第２アーム１３ａ，１３ｂの胴体側面であって、これらが配置された面と垂直を成す面（これを側面とする）に形成することも可能である。以下、これを第３の実施形態として例を挙げて説明する。但し、以下の説明では、駆動用圧電素子４０を側面に形成した場合を例に挙げて説明する。
【００７５】
図２３は、本実施形態による角速度センサ１０３の構成を示す平面図である。図２３に示すように、角速度センサ１０３における駆動用圧電素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、各々の第１アーム１２ａ，１２ｂの両側面に形成される。
【００７６】
上述において例えば図４又は図１９を用いて説明したように、駆動モードにおける第１アーム１２ａ，１２ｂの側面は、印加された高周波信号に基づいて伸縮を繰り返す。従って、圧電定数ｄ３１（ｐＣ／Ｎ）を有効に使うために、アームの側面にｄ３１が大きな圧電素子を成膜する。これにより、効率良くアームを駆動させることが可能となる。ここで、図２３における線ＶＩ−ＶＩに沿った断面構成を図２４（ａ）に示す。
【００７７】
図２４（ａ）に示すように、第１アーム１２ａの外側の側面には、下部電極４３ａと圧電膜４２ａと上部電極４１ａとが積層された駆動用圧電素子４０ａが形成され、内側の側面には、同じく、下部電極４３ｂと圧電膜４２ｂと上部電極４１ｂとが積層された駆動用圧電素子４０ｂが形成されている。また、第１アーム１２ｂも同様に、外側の側面に下部電極４３ａと圧電膜４２ａと上部電極４１ａとが積層された駆動用圧電素子４０ａが形成され、内側の側面に下部電極４３ｂと圧電膜４２ｂと上部電極４１ｂとが積層された駆動用圧電素子４０ｂが形成されている。それぞれの下部電極及び上部電極は、同一のアームに関わる２つ（上部電極及び下部電極、又は、上部電極／下部電極同士）が１組となってフレーム２０上に設けられた電極パッド８３ａ，８３ｃ又は電極パッド８１ａ，８１ｃに接続される。例えば図２５（ａ）では、アーム毎において、上部電極同士又は下部電極同士を共通に接続した場合の回路構成を示し、また、図２５（ｂ）では、アーム毎において、異なる駆動用圧電素子間の上部電極及び下部電極をそれぞれ共通に接続した場合の回路構成を示す。図２５中の矢印は分極方向を示す。尚、図２３では、アーム毎において、上部電極同士又は下部電極同士を共通に接続した場合の構成を示している。更に、図２３では、ボンディングされた金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等のワイヤ７１ａ’，７１ｂ’，７１ｃ’，７１ｄ’，７３ａ’，７３ｂ’，７３ｃ’，７３ｄ’を介して各電極と電極パッドとが相互に接続されている。
【００７８】
一方、検出モードは、駆動振動と直行する方向に振動を行うモードであるので、アームの表裏面が伸縮を繰り返す。従って、圧電定数ｄ３１（ｐＣ／Ｎ）が大きな圧電素子を第２アーム１３ａ，１３ｂの表裏面に成膜することで、効率よく検出信号を得ることが可能となる。ここで、図２３における線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面形状を図２４（ｂ）に示す。
【００７９】
図２４（ｂ）に示すように、第２アーム１３ａ（１３ｂ：以下、１３ｂ側を括弧付きで説明する）の何れか一方の主面（これを表面とする）には、下部電極５４ａ（６７ａ）と圧電体５５ａ（６８ａ）と上部電極５６ａ（６９ａ）とが積層された検出用圧電素子５０ａ（６０ａ）が形成されている。また、第２アーム１３ａ（１３ｂ）の裏面には、下部電極５４ｂ（６７ｂ）と圧電体５５ｂ（６８ｂ）と上部電極５６ｂ（６９ｂ）とが積層された検出用圧電素子５０ｂ（６０ｂ）が形成されている。即ち、本実施形態において第２アーム１３ａ（１３ｂ）には、２つの検出用圧電素子５０ａ，５０ｂ（６０ａ，６０ｂ）が表裏面にそれぞれ形成されている。
【００８０】
このような検出回路側の回路構成は、分極方向との組み合わせより多数のパターンが考えられる。このなかで、差動検出により外来ノイズを極力抑えるように構成した場合の回路構成を図２６に示す。図２６中の矢印は分極方向を示す。このように第２アーム１３ａ，１３ｂを挟み込むように形成した検出用圧電素子５０ａ及び５０ｂ，６０ａ及び６０ｂから出力される信号を差動信号として使用することで、Ｓ／Ｎ比を向上させ、結果として検出感度を向上させることが可能となる。尚、図２６（ａ）は、アーム毎において、上部電極同士又は下部電極同士を共通に接続した場合の回路構成を示し、また、図２６（ｂ）では、アーム毎において、異なる駆動用圧電素子間の上部電極及び下部電極をそれぞれ共通に接続した場合の回路構成を示す。
【００８１】
本実施形態による検出用圧電素子５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂは、第１の実施形態で説明した検出用圧電素子５０，６０の製造工程を、シリコン基板Ｓの表裏面に対して行うことで形成できる。また、駆動用圧電素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、例えば駆動用圧電素子を形成する領域に導電性の樹脂を塗布し、これにバルクのＰＺＴ等の圧電体（圧電膜４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ）を接着するように構成することも可能である。この際、塗布しておいた導電性の樹脂は、下部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄとして機能する。また、圧電膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄには予め上部電極４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを形成しておくと良い。このほか、下部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを上述と同様にスパッタリング又は蒸着法等で形成し、且つ、圧電体（圧電膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）における下部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄとの接着面に金属膜を形成しておき、両者を直接接合により接合するように構成することも可能である。この際、同様に、圧電膜４２ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄには予め上部電極４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを形成しておくと良い。
【００８２】
また、本実施形態では、１つのアームにおいて、対向する平行な２面にそれぞれ駆動用圧電素子又は検出用圧電素子を形成したが、本発明ではこれに限定されず、例えば第１アーム１２ａ，１２ｂの外側の面にだけ、駆動用圧電素子（４０ａ，４０ｃ）を形成する構成としても、１つのアームに駆動用圧電素子と検出用圧電素子との双方を形成する構成としても良い。
【００８３】
以上のように構成することで、圧電体の圧電定数ｄ３１を有効に活用することが可能となり、アームの駆動効率及び検出回路での検出感度を向上させることが可能である。尚、他の構成及び製造方法については、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００８４】
〔第４の実施形態〕
また、上述の第１の実施形態における溝２１〜２４，３１〜３４の他の構成例を以下に第２の実施形態として図面を用いて詳細に説明する。図２７（ａ）は、本実施形態による角速度センサ１０４の第１アーム１２ａ，１２ｂの付け根部分を拡大した部分上面図である。また、図２７（ａ）の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面形状を（ｂ）に示す。
【００８５】
図２７（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による溝２７ａ，２７ｂは、第１アーム１２ａ，１２ｂの付け根部分を外周するように形成されている。この溝２７ａ，２７ｂの深さＬ１２は、例えば均一で、第１の実施形態における溝２１〜２４，３１〜３４の深さと同じである。これにより、この部分の剛性が低下し、角速度センサ１０４の感度をより向上させることが可能となる。尚、本実施形態では、同様の溝が第２アーム１３ａ，１３ｂの付け根部分にも形成される。
【００８６】
このような溝２７ａ，２７ｂ（但し、第２アーム側に形成する溝も含む）は、第１の実施形態における図１５（ｃ）で示した工程の後又は前に、表面及び裏面に形成する溝部分に対応する領域が開口されたフォトレジストを形成し、この開口部分を深さを制御しつつエッチングすることで形成される。尚、他の構成及び製造方法は、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００８７】
〔第５の実施形態〕
また、本発明を好適に実施した第５の実施形態を以下に図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では上述の第１の実施形態による角速度センサ１０１を基礎とした形態について例を挙げて説明する。
【００８８】
図２８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。図２９は、図２８の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿った断面図である。角度センサ１０５は、駆動用圧電素子４０，検出用圧電素子５０，６０、及び配線構造の一部の形態において、下部電極４１と、上部電極４３と、これらに挟まれた圧電体４２’とを含む積層構造を有する。圧電体４２’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７３’は例えば金で構成される。圧電体４２’は、ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ等によって構成される。また、電極４１，４３は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等によって構成される。但し、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等により構成される金属膜を介在させても良い。
【００８９】
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’とを含む積層構造を有する。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、例えば金を含んで構成されたワイヤ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’とを含む積層構造を有する。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、例えば金を含むワイヤ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、１００μｍ程度の厚みを有し、ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ等を含んで構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等を含んで構成される。但し、本発明において、検出用圧電素子５０の圧電体５５’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等を含んで構成される金属膜を介在させても良い。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等を含んで構成される金属膜を介在させても良い。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を有しない構造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１０５のための駆動回路又は検出回路に対して直接に接続される。
【００９０】
このような構成の角速度センサ１０５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及び一対の第２アーム１３ａ，１３ｂは、図２８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は面垂直方向即ち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６に示すような検出回路で取得することができる。
【００９１】
角速度センサ１０５の有する駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０の圧電体４２’，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及び検出用圧電素子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１０５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。尚、他の構成、例えば第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの根元に設けられた溝２１〜２４，３１〜３４の構成は、第１の実施形態と同様であり、これから得られる効果も同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００９２】
次に、図３０及び図３１を用いて角速度センサ１０５の製造方法の一例を示す。図３０及び図３１は、製造工程における、図２８の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿った断面形状の様子を表す。まず、図３０（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１２１を成膜し、更に、角速度センサ１０５において最終的に下部電極４１，５４，６７等にパターン形成される金属膜１２２を成膜する。但し、シリコン基板Ｓとして抵抗率がおよそ１０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗基板を使用する場合には、酸化膜１２１は成膜しなくとも良い。次に、図３０（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１２２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８１，８４，８７がパターン形成され、且つ、これらを接続する配線７１，７４，７７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１２１及び金属膜１２２について、構成材料、成膜手段及びエッチング手法は、図１４（ａ）及び図１４（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。
【００９３】
次に、図３０（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３０（ｄ）に示すように、露光及び現像を経てフォトレジスト１１５をパター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１０５における、Ｈ型振動子１０，フレーム２０，及びトーションバー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７１，７４，７７、及び上部電極パッド８３，８６，８９を覆っている。更に、第１の実施形態と同様に、レジストパターン１１６には溝２１〜２４，３１〜３４を形成するための窪み２１’〜２４’，３１’〜３４’も含まれている。
【００９４】
次に、図３１（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１０５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３１（ｂ）に示すように、レジストパターン１１６を除去する。
【００９５】
次に、図３１（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４２’，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等を含んで構成され、１００μｍ程度の厚みを有する。上部電極４３，５６，６９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等のスパッタリングや蒸着により圧電体４２’，５５’，６８’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’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との間に圧電を印加することによって行う。
【００９６】
圧電体４２’，５５’，６８’には、上部電極４３，５６，６９の成膜と共に、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良い。そのような圧電体４２’，５５’，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’，５５’，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圧電を印加することによって行う。分極処理の後、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。
【００９７】
次に、図３１（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、例えば金を含むワイヤ７３’，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１０５が完成する。但し、本実施形態では、図３０（ｄ）に示す工程において、図１１及び図１２を参照して上述したように、レジストパターン１１６と共にエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を形成しても良い。これによって、図３１（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、Ｈ型振動子１０とフレーム２０とトーションバー３０とを一体成形する際、第１の実施形態の角速度センサ１０１の製造方法における図１６（ｄ）に示す工程にて示した結晶異方性エッチングによる両面エッチングを採用しても良い。
【００９８】
尚、上述では、第１の実施形態を基礎として説明したが、このほか、例えば第２又は第３の実施形態を基礎として、本実施形態を実現することも可能である。
【００９９】
〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１００】
図３２は、本実施形態に係る角速度センサ１０６の構成を示す平面図である。角速度センサ１０６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、各々検出用圧電素子５０，６０と同様な積層構造を有しており、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１０６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るため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、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。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子７０，８０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０１】
〔第７の実施形態〕
次に、本発明の第７の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１０２】
図３３は、本実施形態に係る角速度センサ１０７の構成を示す平面図である。角速度センサ１０７は、駆動用圧電素子及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１１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１１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とにわたって駆動用圧電素子４０’が設けられると共に、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及び検出用圧電素子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及び検出用圧電素子８０’に対して対称に配設されている。これと共に、駆動用圧電素子４０’及び検出用圧電素子７０’，８０’は、対称面Ａ１−Ａ１に直行する面Ａ５−Ａ５について、駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子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るため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、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とアームの接合部とが最も歪むので、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。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４０’及び検出用圧電素子７０，７０’，８０，８０’は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０３】
〔第８の実施形態〕
次に、本発明の第８の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１０４】
図３４は、本実施形態に係る角速度センサ１０８の構成を示す平面図である。角速度センサ１０８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１０８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３５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乃至伸縮を逆位相にし、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１０８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るため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、配線構造は省略する。また、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４５，４６及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０５】
〔第９の実施形態〕
次に、本発明の第９の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１０６】
図３６は、本実施形態に係る角速度センサ１０９の構成を示す平面図である。角速度センサ１０９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１０９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３７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乃至伸縮の歪みの大きさを代え、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１０９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るため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、配線構造は省略する。また、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０７】
〔第１０の実施形態〕
次に、本発明の第１０の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１０８】
図３８は、本実施形態に係る角速度センサ１１０の構成を表す。図３８（ａ）は角速度センサ１１０の平面図であり、図３８（ｂ）は図３８（ａ）の線Ｂ２−Ｂ２から見た矢視図である。角速度センサ１１０は、角速度センサ１０１の第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第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及び対称面Ａ２−Ａ２について対称に配設されて、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の雑音モード等が防がれている。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ため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、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礎部分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１１０の高感度化が図られる。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０９】
〔第１１の実施形態〕
次に、本発明の第１１の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１１０】
図３９は、本発明の第１１の実施形態に係る角速度センサ１１１を表す。図３９（ａ）は角速度センサ１１１の平面図であり、図３９（ｂ）は図３９（ａ）の線Ｂ３−Ｂ３から見た矢視図である。角速度センサ１１１は、角速度センサ１０１の第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの各々の先端に重り部９２が設けられていた構成をとる。重り部９２は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１について対称に配設され、これによってＨ型振動子１０のバランスが保たれている。また、図示していないが、表裏面に対称に重り部を配設すれば更なるバランス確保に伴うドリフトの向上および感度向上が可能であることは言うまでも無い。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ため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、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１１１の高感度化を図ることができる。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１１１】
〔第１２の実施形態〕
次に、本発明の第１２の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１１２】
図４０は、本実施形態に係る角速度センサ１１２の構成を示す平面図である。角速度センサ１１２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及び第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３０００μｍであり、アームの長さ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、捩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。即ち、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。尚、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ため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、配線構造は省略する。また、他の実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０は、第５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。
【０１１３】
〔第１３の実施形態〕
図４１は、本発明の第１３の実施形態に係る角速度センサ１１３を表す。角速度センサ１１３では、センサ部１１３ａと回路部１１３ｂとが一体となっている。センサ部１１３ａは角速度センサ１０１と同一の構成である。回路部１１３ｂは、センサ部１１３ａの駆動用圧電素子４０を駆動するための駆動回路９３，及び、センサ部１１３ａ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６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及びトーションバー３０を形成する際のシリコン基板として、駆動回路９３及び検出回路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１４〜図１６を参照して説明したようにＨ型振動子１０，フレーム２０及びトーションバー３０を形成する。これとともに、駆動回路９３及び検出回路９４並びにこれらを駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子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１１３ａに対する駆動回路９３及び検出回路９４の配設が容易化される。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１１４】
〔第１４の実施形態〕
次に、本発明の第１４の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図４２は、本実施形態による角速度センサ１１４の構成を示す平面図（左側）及び拡大図（右側）である。尚、以下の説明では、第１の実施形態による構成を基礎として以下に例を挙げる。
【０１１５】
図４２に示すように、本実施形態では、例えばバルクのＰＺＴ等の圧電体を有して構成された駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０をＨ型振動子１０に固定する際の位置決めを正確且つ容易に行うための位置決めマーカ９８，９９が、予めＨ型振動子１０上の搭載位置に設けられている。この位置決めマーカ９８，９９は、各圧電素子の下部電極４１，５４，６７と一体形成されている。即ち、製造工程において、位置決めマーカ９８，９９と一体の下部電極４１，５４，６７をシリコン基板Ｓの所定領域に形成し、これに上部電極４３，５６，６９が形成されたバルクの圧電膜４２，５５，６８を固着する。固着には、例えば接着材等を用いることができる。この際、導電性接着剤等の樹脂が有効である。特に、異方導電性接着材を用いることで、下部電極と圧電膜との電極面のみを確実に導電させることが可能である。このほか、圧電膜における下部電極４１，５４，６７との接着面に予め金属膜を形成しておき、これを下部電極と直接接合するように構成することも可能である。このように位置決めマーカ９８，９９を設けておくことで、本実施形態では角速度センサの歩留り及び製造効率を向上させることが可能となる。
【０１１６】
また、このほか、駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０の位置決めのために、シリコン基板Ｓ上に例えば酸化シリコン膜で位置決め用マーカ（上記９８，９９と同様の形状）を設けても、シリコン基板Ｓ自体を位置決め用マーカ（上記９８，９９と同様の形状）を有するように加工してもよい。このほか、例えば図４３に示すように、シリコン基板Ｓ自体に貼り付ける圧電素子と同形状の凹部９７を所定の深さに設けても良い。これにより、同様に、角速度センサの歩留りを向上させることをが可能となる。尚、図４３（ａ）は、この際の角速度センサ１１４におけるＨ型振動子１０の上面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ４−Ｂ４に沿った断面形状を示す。
【０１１７】
〔第１５の実施形態〕
また、上述した各実施形態では、Ｈ型振動子１０の基板にシリコン基板を用いていたが、本発明では、このほかにも、例えば水晶やタンタル酸リチウム（ＬＴ）やニオブ酸リチウム（ＬＮ）やＰＺＴ等の圧電素子の基板を用いることが可能である。これらの材料の何れか１つ以上を用いて、上述した何れかの実施形態による角速度センサを形成することで、同様に、高感度の角速度センサを製造することが可能である。
【０１１８】
〔第１６の実施形態〕
また、上記した各実施形態では、材料基板としてシリコン基板（Ｓ）を用いていた。本発明ではこれに限定されず、材料基板として例えば圧電基板を用いることも可能である。以下、これを第１６の実施形態として図面に示す。
【０１１９】
図４４は、本実施形態による角速度センサ１１６の構成を表す。図４４（ａ）は角速度センサ１１６の平面図であり、（ｂ）はその線Ｂ５−Ｂ５に沿った断面形状を示す図である。図４４に示すように、本実施形態では圧電材料で形成された第２アーム１３Ａ，１３Ｂを挟んで、検出用圧電素子を形成するための下部電極１５４，１６７及び上部電極１５６，１６９が形成されている。尚、駆動用圧電素子側に関しても、Ｈ型振動子１０Ａの裏面には上部電極１４３に対向して下部電極が形成されている。
【０１２０】
このような構成において、第１アーム１２Ａ，１２Ｂの根元には上述した第１の実施形態と同様に溝２１〜２４が形成されており、また、第２アーム１３Ａ，１３Ｂの根元には同様に溝３１〜３４が形成されている。従って、本実施形態においても見かけ上のアームの長さが長くなり、検出感度を向上させることが達成されている。
【０１２１】
また、以上のように圧電基板を用いた構成は、第１の実施形態に限らず、他の実施形態に関しても、適宜適用することができるものである。
【０１２２】
〔他の実施形態〕
以上、説明した実施形態は本発明の好適な一実施形態にすぎず、本発明はその趣旨を逸脱しない限り種々変形して実施可能である。
【０１２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板及び圧電素子を用いた小型の角速度センサにおいて、アーム根元部分の形状を細くすることで剛性を低下させ、又は支持部に穴を設けることでバネ性を持たせるため、アームの変位量を増大することができ、これにより高感度化が実現される。また、基板の両面に駆動用，圧電用又はその両方の圧電素子を設けることでも角速度センサの高感度化が実現されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成に係る角速度センサ１００の構成を示す平面図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った部分断面図であり、（ａ）はＤｅｅｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを用いて形成した場合を示し、（ｂ）は結晶異方性エッチングを用いた形成した場合を示し、（ｃ）は各アーム間及びアーム−フレーム間の距離を等しくすることでエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を用いることなく作製した場合を示す。
【図３】図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図であり、（ａ）はＤｅｅｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを用いて形成した場合を示し、（ｂ）は結晶異方性エッチングを用いた形成した場合を示し、（ｃ）はトーションバー３０の幅を他の構成よりも狭く加工した場合を示す。
【図４】図１に示す角速度センサ１００の動作モードと検出モードとを説明するための図である。
【図５】図１に示す角速度センサ１００におけるＨ型振動子１０の部位毎の歪み量を示すグラフである。
【図６】本発明で用いられる検出回路の一例を示す回路図である。
【図７】本発明の基本構成に係る別の角速度センサ１００ａの構成を示す平面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサ１０１の構成を示す平面図である。
【図９】図８の線ＩＶ−ＩＶに沿った部分断面図である。
【図１０】図８に示す角速度センサ１０１におけるＨ型振動子１０の部位毎の歪み量を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサ１０１の製造方法で用いられる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１１６の構成を示す平面図である。
【図１２】図１１の別のレジストパターン１１６の構成を示す平面図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係るパッケージングされた角速度センサ１０１を図８の線ＩＩ−ＩＩに沿ってパッケージごと切断した際の断面形状を示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサ１０１の製造方法を説明するためのプロセス図である。
【図１５】図１４に続く製造方法を示すプロセス図である。
【図１６】図１４に続く別の製造方法を示すプロセス図である。
【図１７】図８に示す角速度センサ１０１をフレーム２０とＨ型振動子１０及びトーションバー３０とを別々に作製した場合の構成を示す平面図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ１０２の構成を示す平面図である。
【図１９】図１８に示す角速度センサ１０２における駆動モードでの様子を示す図であり、（ａ）はアームが開く場合の各部の変位を示し、（ｂ）はアームが閉じる場合の各部の変位を示す。
【図２０】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ１０２において貫通穴を４つ設けた場合の構成を示す平面図である。
【図２１】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ１０２の製造方法で用いられる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１１６の構成を示す平面図である。
【図２２】図１１の別のレジストパターン１１６の構成を示す平面図である。
【図２３】本発明の第３の実施形態に係る角速度センサ１０３の構成を示す平面図である。
【図２４】（ａ）は図２３の線ＶＩ−ＶＩに沿った部分断面図であり、（ｂ）は図２３の線ＩＸ−ＩＸに沿った部分断面図である。
【図２５】図２３に示す角速度センサ１０３の駆動用圧電素子側の接続形態を示す図であり、（ａ）はアーム毎において上部電極同士及び下部電極同士を共通に接続した場合を示し、（ｂ）はアーム毎において異なる駆動用圧電素子間の上部電極及び下部電極をそれぞれ共通に接続した場合を示す。
【図２６】図２３に示す角速度センサ１０３の検出用圧電素子側において差動検出を実現した場合の接続形態を示す図であり、（ａ）はアーム毎において上部電極同士及び下部電極同士を共通に接続した場合を示し、（ｂ）はアーム毎において異なる駆動用圧電素子間の上部電極及び下部電極をそれぞれ共通に接続した場合を示す。
【図２７】本発明の第４の実施形態に係る角速度センサ１０４の構成を示す図であり、（ａ）はその部分平面図であり、（ｂ）は（ａ）の線ＩＶ−ＩＶに沿った部分断面図である。
【図２８】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサ１０５の構成を示す平面図である。
【図２９】図２８の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面図である。
【図３０】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサ１０５の製造方法を説明するためのプロセス図である。
【図３１】図３０に続く製造方法を示すプロセス図である。
【図３２】本発明の第６の実施形態に係る角速度センサ１０６の構成を示す平面図である。
【図３３】本発明の第７の実施形態に係る角速度センサ１０７の構成を示す平面図である。
【図３４】本発明の第８の実施形態に係る角速度センサ１０８の構成を示す平面図である。
【図３５】図３４に示す角速度センサ１０８の駆動用圧電素子４０，４５，４６へ印加する電圧波形の一例を示す図である。
【図３６】本発明の第９の実施形態に係る角速度センサ１０９の構成を示す平面図である。
【図３７】図３６に示す角速度センサ１０９の駆動用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８へ印加する電圧波形の一例を示す図である。
【図３８】本発明の第１０の実施形態に係る角速度センサ１１０の構成を示す図であり、（ａ）はその平面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ２−Ｂ２に沿った部分断面図である。
【図３９】本発明の第１１の実施形態に係る角速度センサ１１１の構成を示す図であり、（ａ）はその平面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ３−Ｂ３に沿った部分断面図である。
【図４０】本発明の第１２の実施形態に係る角速度センサ１１２の構成を示す平面図である。
【図４１】本発明の第１３の実施形態に係る角速度センサ１１３の構成を示す平面図である。
【図４２】本発明の第１４の実施形態に係る角速度センサ１１４の構成を示す平面図及びその部分拡大図である。
【図４３】本発明の第１４の実施形態に係る別の角速度センサ１１４におけるＨ型振動子１０の構成を示す図であり、（ａ）はその上面図であり、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ４−Ｂ４に沿った部分断面図である。
【図４４】本発明の第１６の実施形態に係る角速度センサ１１６の構成を示す図であり、（ａ）はその上面図であり、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ５−Ｂ５に沿った部分断面図である。
【図４５】従来のビーム型角速度センサ８００の構成を示す図であり、（ａ）はその斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ１−Ｂ１に沿った断面図である。
【図４６】従来の音叉型角速度センサ９００の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ Ｈ型振動子
１１ 支持部
１１’ 又部
１２ａ、１２Ａ、１２ｂ、１２Ｂ 第１アーム
１３ａ、１３Ａ、１３ｂ、１３Ｂ 第２アーム
２０ フレーム
２１、２２、２３、２４、２７ａ、２７ｂ、３１、３２、３３、３４ 溝
２１’、２２’、２３’、２４’、３１’、３２’、３３’、３４’ 窪み
２５、２５ａ、２５ｂ、２６、２６ａ、２６ｂ 貫通穴
２５’、２６’ 穴
３０ トーションバー
４０、４０’、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４５、４６、４７、４８ 駆動用圧電素子
４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、５４、５４ａ、５４ｂ、６７、６７ａ、６７ｂ、１５４、１６７ 下部電極
４３、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、５６、５６ａ、５６ｂ、６９、６９ａ、６９ｂ、１４３、１５６、１６９ 上部電極
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、５５、５５ａ、５５ｂ、６８、６８ａ、６８ｂ 圧電膜
５０、６０、５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ、７０、７０’、８０、８０’検出用圧電素子
５５’、６８’ 圧電体
７１、７３、７４、７６、７７、７９ 配線
７１ａ’、７１ｂ’、７１ｃ’、７１ｄ’、７３’、７３ａ’、７３ｂ’、７３ｃ’、７３ｄ’、７６’、７９’ ワイヤ
８１ 駆動下部電極パッド
８１ａ、８１ｃ、８３ａ、８３ｃ 電極パッド
８３ 駆動上部電極パッド
８４、８７ 検出下部電極パッド
８６、８９ 検出上部電極パッド
９０ａ パッケージング部材
９０ａ’ 退避部
９０ｂ スペーサ
９１ 嵩高部
９２ 重り部
９３ 駆動回路
９４ 検出回路
９７ 凹部
９８、９９ 位置決めマーカ
１００、１００ａ、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１６ 角速度センサ
１１３ａ センサ部
１１３ｂ 回路部
１１６、１１８ レジストパターン
１１６’ エッチング幅調整用レジストパターン
１１６’ａ 架橋部
Ｓ シリコン基板
【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角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を使用した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や検知技術，カーナビゲーションの自立走行システム，サイド・エアバック開放タイミング用のロール角検知，車やロボットの姿勢制御用等において、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及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及び音叉型のものがある。図４５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４５（ａ）は、角速度センサ８００の斜視図であり、図４５（ｂ）は、図４５（ａ）の線Ｂ１−Ｂ１に沿った断面図である。角速度センサ８００は、ビーム形状乃至直方状の振動子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８１０は、エリンバ等の恒弾性金属を含んで構成され、接地されている。支持ワイヤ８２０にはピアノ線等が用いられる。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とを有する。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８４２とを有する。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。即ち、振動子８１０の屈曲振動は、Ｘ軸方向及び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乃至角速度ωに比例した出力が得られる。
【０００５】
図４６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９００は、音叉形状の振動子９１０と、駆動用圧電素子９２０と、一対の検出用圧電素子９３０とを備える。振動子９１０は、エンリバ等の恒弾性金属を含み、又部９１１と、これから延出する２本のアーム９１２，９１３とを有して構成され、接地されている。アーム９１２は、駆動板９１２ａ及びこれに直交して接合された検出板９１３ｂを有する。駆動用圧電素子９２０は、アーム９１２の駆動板９１２ａに設けられ、圧電体９１２と、これに積層形成された電極９２２とを有する。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とを有する。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及びアーム９１２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９１０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乃至角速度ωに比例した出力が得られる。
【０００７】
以上のようなコリオリ力Ｆを利用した振動型角速度センサ（ジャイロ）は、フォトリソグラフィーをはじめとした半導体加工技術を用いて小型化することが望まれている。例えば、振動子部分を水晶等の圧電素子で形成したジャイロ等は以下に示す特許文献１等で、また、振動子部分に半導体基板を使って形成したジャイロ等は以下に示す特許文献２又は３等で、その小型化が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２０６１６２号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３７２４７号公報
【特許文献３】
特開平１０−４７９７１号公報
【０００９】
しかしながら、以上の文献で開示されたように半導体技術を用いて角速度センサを小型化した場合、振動子質量ｍが小さくなり、発生するコリオリ力Ｆが減少する。このため、角速度センサの感度が低下してしまうという問題が発生する。尚、低下した感度を補うために、後段にアンプを設けることは、所望の信号以外にノイズも増幅してしまうため、Ｓ／Ｎ比が劣化する。従って、角速度センサの感度を向上させるためには、ノイズ成分を減らすか、振動子単体での高感度化を図ることが重要な課題となっている。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決することを目的としており、例えば半導体技術を用いて小型化された場合でも、感度よく回転角速度を検知できる角速度センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、請求項１記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部を有して構成され、この構成において、前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端が該第１又は第２の腕部の胴体幅よりも細くなっている。振動部分である腕と該腕から伝播した振動を検出する腕との根元部分を胴体部分よりも細くすることで、この根元部分の剛性が低下するため、実質的な腕の長さが長くなる。従って、面内振動で腕が開閉する駆動モードにおける腕のモーメントを増大させることができ、この結果、アームの駆動速度を増加させることが達成されるため、回転角速度が加わった際に発生するコリオリ力が大きくなり、角速度センサの高感度化を図ることができる。尚、この効果は、例えば半導体技術を用いて小型化された角速度センサでも同様にすることができる。
【００１２】
また、請求項１記載の前記角速度センサは、例えば請求項２記載のように、前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端に溝を有することで、上記した根元部分を細くすることを達成してもよい。
【００１３】
また、請求項２記載の前記溝は、例えば請求項３記載のように、前記腕部を外周するように形成されていてもよい。
【００１４】
また、本発明は、請求項４記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部と、該支持部に形成された２つ以上の穴とを有して構成される。振動部分である腕と発生した振動を検出するための腕とを連結する支持部に穴を設けることで、この部分の剛性が低下する。連結部（支持部）の剛性を低下させることで、振動部分の腕で発生した振動を検出用の腕に効率よく伝播させることが可能となる。従って、発生した振動を効率よく検出することが可能となる。即ち、角速度センサの感度が向上される。また、上記のように腕を支持する支持部の剛性を低下させることは、腕自体の自由度を増大させることにも繋がるため、結果として面内振動で腕が開閉する駆動モードにおける腕のモーメントを増大させることができ、アームの駆動速度を増加させることが達成される。これにより、回転角速度が加わった際に発生するコリオリ力が大きくなり、角速度センサの高感度化を図ることができる。尚、これらの効果は、例えば半導体技術を用いて小型化された角速度センサでも同様にすることができる。
【００１５】
また、請求項４記載の前記穴は、好ましくは請求項５記載のように、前記支持部の中心に関して点対称に形成される。２対の腕を効率よく共振させるためには、振動子自体の対称性を保つことが重要である。従って、この振動子に形成する穴にも対称性が要求される。
【００１６】
また、本発明は、請求項６記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の圧電素子の少なくとも一方が前記腕部の胴体部分であって対向する２面に形成された構成を有する。駆動モードでは、振動部分の腕の側面が印加された高周波信号に基づいて伸縮を繰り返す。そこで、圧電定数ｄ３１を有効に活用するために、この伸縮部分を挟み込むように圧電素子を形成する。これにより、振動側の腕の振幅を増大することができ、対応する形で検出側の腕に伝播する振動の振幅を増大することができる。検出側の腕における振幅が増大するということは、検出される信号の振幅も増大するということに繋がるため、結果的に角速度センサの検出感度を向上させることが可能となる。また、検出モードでは、腕を挟み込むように圧電素子を形成することで、これらから出力された２つの信号を差動信号として使用することが可能となる。このように差動信号を使用することで、外来ノイズ等による影響を排除でき、Ｓ／Ｎ比が向上される。従って、角速度センサの検出感度を向上させることができる。
【００１７】
また、請求項７記載のように、請求項１から６の何れか１項に記載の前記第１及び／又は第２の圧電素子は、第１及び第２の電極膜で挟まれた圧電体を含んで構成され、同じく前記第１の電極膜は、少なくとも前記圧電体を位置決めするための凸部を有して構成されることが好ましい。これにより、例えばバルク等で作製した圧電素子の振動子への貼り合わせを正確且つ容易に行うことが可能となり、角速度センサの歩留り及び製造効率を向上させることが可能となる。
【００１８】
また、請求項１から６の何れか１項に記載の前記支持部と前記第１の腕部と前記第２の腕部とのうち少なくとも１つは、請求項８記載のように、前記第１及び／又は第２の圧電素子を位置決めするための凸部又は凹部を有して構成されることが好ましい。これにより、例えばバルク等で作製した圧電素子の振動子への貼り合わせを正確且つ容易に行うことが可能となり、角速度センサの歩留り及び製造効率を向上させることが可能となる。
【００１９】
また、請求項１から８の何れか１項に記載の前記第１及び／又は第２の圧電素子は、例えば請求項９記載のように、樹脂により前記支持部と前記第１又は第２の腕部とのうち少なくとも一方に固定されているように構成することもできる。
【００２０】
尚、請求項９記載の前記樹脂は、請求項１０記載のように、導電性樹脂又は異方性導電性樹脂であることが好ましい。
【００２１】
また、例えば請求項１１記載のように、請求項１から８の何れか１項に記載の前記第１及び／又は第２の圧電素子は、少なくとも１面に第１の金属膜を有し、同じく前記支持部と前記第１又は第２の腕部の少なくとも一方は、前記第１又は第２の圧電素子を接合するための第２の金属膜を有して構成されていても良い。このように各構成の接合面に第１及び第２の金属膜を形成しておくことで、両者を直接接合することが可能となり、前記第１又は第２の圧電素子を良好な導電性を有しつつ確実に固定することが可能となる。
【００２２】
また、本発明は、請求項１２記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第１の腕部を該第１の腕部の表面に形成された第１の電極膜を用いて振動させる振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第２の腕部に発生した振動を該第２の腕部の表面に形成された第２の電極膜を用いて検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部を有して構成され、この構成において、前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端が該第１又は第２の腕部の胴体幅よりも細くなっている。このように、腕の根元を細くすることで得られる高感度化の効果は、材料基板に圧電基板を用いて角速度センサを構成した場合でも奏することができる。
【００２３】
また、本発明は、請求項１３記載のように、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第１の腕部を該第１の腕部の表面に形成された第１の電極膜を用いて振動させる振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第２の腕部に発生した振動を該第２の腕部の表面に形成された第２の電極膜を用いて検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部と、該支持部に形成された２つ以上の穴とを有して構成される。このように、支持部に穴を設けることで得られる高感度化の効果は、材料基板に圧電基板を用いて角速度センサを構成した場合でも奏することができる。
【００２４】
また、請求項１４記載のように、請求項１から１３の何れか１項に記載の前記第１又は第２の腕部の断面は、２本の該第１又は第２の腕部が延在する面に対して垂直で且つ該第１又は第２の腕部の長手方向と平行な面に関して面対称を成し、同じく前記第１及び第２の腕部と前記支持部とを含む振動子は、該支持部の中心に関して点対称を成しているように構成されていることが好ましい。第１及び第２の腕と支持部とで構成された振動子の対称性を確保することで、駆動側において効率良く振動を発生することが可能となる。また、この発生した振動を効率よく検出側へ伝播させることが可能となる。更に、検出した信号に重畳されるノイズも低減されるため、より高感度化を図ることが可能となる。
【００２５】
また、請求項１から１４の何れか１項に記載の前記角度センサは、請求項１５記載のように、前記支持部と前記第１及び第２の腕部との外周に形成されたフレームと、該フレームと前記支持部とを連結して固定するトーションバーとを有し、前記トーションバーが前記支持部の厚さよりも薄く形成されていることが好ましい。このように支持部及び腕を有して構成される振動子を支持するトーションバーの剛性を支持部よりも低く構成することで、トーションバーにおける振動の減衰を極力抑えることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適に実施した形態について説明するにあたり、本発明の基本構成について図面を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明では、Ｈ型圧電振動ジャイロタイプの角速度センサについて例を挙げて説明する。
【００２７】
図１から図３は、本発明による角速度センサ１００の基本構成を示す平面図である。尚、図１は角速度センサ１００の平面図を示し、図２及び図３は、図１の線ＩＩ−ＩＩ及び線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図を示す。
【００２８】
図１に示すように、角速度センサ１００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及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２０及びトーションバー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）又は結晶異方性エッチングを施すことによって、一体形成されたものである。具体的には、例えば厚さ５００μｍ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、或いは、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。尚、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥを採用する場合、エッチングと側壁保護とを交互に行う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秒間程度行う。この際、ウェハに印加するバイアスは２０Ｗ程度とする。また、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を用いる。
【００２９】
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とを有して構成されている。即ち、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂは、支持部１１に支持されるように、支持部１１とモノリシックに一体形成されている。本基本構成では、例えば支持部１１の長さＬ１を１０００μｍ，幅Ｌ２を１１００μｍ，厚さを上述の材料基板（例えばシリコン基板）の厚さと同じ５００μｍとする。一対の第１アーム１２ａ，１２ｂは、それぞれ長手方向（Ｚ方向）に対して平行で且つ互いに平行な２面を含んで構成され、これらが互いに同一形状を有して平行に延びている。それぞれのアームは、例えば長さＬ３が２５００μｍ，幅Ｌ４が５００μｍ，厚さが材料基板と同じ５００μｍであって、互いの離隔距離Ｌ５が１００μｍである。同様に、一対の第２アーム１３ａ，１３ｂは、それぞれ長手方向（Ｚ方向）に対して平行で且つ互いに平行な２面を含んで構成され、互いに同一形状を有して平行に延びており、例えば長さＬ３が２５００μｍ，幅Ｌ４が５００μｍ，厚さが５００μｍであって、互いの離隔距離Ｌ５が１００μｍである。Ｈ型振動子１０は、図１及び図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−Ａ１を有すると共に、アーム延出方向に対して平行であって対称面Ａ１−Ａ１に対して直行する対称面Ａ２−Ａ２を有する対称性の高い形状に形成されている。
【００３０】
基板材料からの一体形成において、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを採用すると、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第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及び第２アーム１３ａ，１３ｂは、表面幅Ｌ４よりも太い最大幅Ｌ４’を有するものとなる。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５００μｍ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性の高い形状とすることで、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。
【００３１】
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のアーム延出方向における中央に位置する支持部１１にてＨ型振動子１０をフレーム２０に固定している。本基本構成では、例えばトーションバー３０の長さＬ６を５００μｍ，幅Ｌ７を５００μｍ，厚さＬ８を５００μｍとする。トーションバー３０の断面形状は、材料基板からの一体形成において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。また、例えば図３（ｃ）に示すように、トーションバー３０の断面の幅を他の構成よりも薄くすることで、第１アーム側に生じた振動を低減衰で第２アーム側へ伝播させることが可能となる。これは、例えばＲＩＥ等のエッチングを用いて加工することが可能である。このように、トーションバー３０の断面形状は、強度およびセンサ性能の観点から、当該断面の中心を通って直行する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の断面をより小寸法に設計しても良い。具体的には、トーションバー３０の幅Ｌ７を小さくすると共に、厚さＬ８を材料基板の厚さ５００μｍより小さくする。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。本発明において、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り、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共に厚みを小さくし、且つ、一対のトーションバー３０の各々の重心を通る軸上に支持部１１の在るＨ型振動子１０の重心が載るようにすることによって、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共に、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１００を製造することが可能となる。
【００３２】
本基本構成において、例えばフレーム２０のアーム延出方向の長さＬ９を７０００〜９０００μｍとし、幅Ｌ１０を３１００〜４１００μｍとした。また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂとフレーム２０との離隔距離Ｌ１１をトーションバー３０の長さＬ６に等しい５００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２ｂ間の離隔距離Ｌ５を１００μｍとした。また、図１に示すように、第１アーム２０との離隔距離Ｌ１１’も５００μｍとした。
【００３３】
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’、即ち、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おり、第１アーム１２ａ，１２ｂを入力された高周波振動に基づいて振動させる。即ち、駆動用圧電素子４０は第１アーム１２ａ，１２ｂと一体となって振動の発生源（振動部）として機能する。
【００３４】
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とを含んだ積層構造を有する。下部電極４１は、何れか一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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、酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），ＰＺＴ（ペロブスカイト型の結晶構造を持つ酸化物強誘電体）等を主成分として構成される。また、電極４１，４３は、アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），金（Ａｕ）等を主成分として構成される。
【００３５】
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、及び、第２アーム１３ｂと支持部１１との接合部に各々設けられており、第２アーム１３ａ，１３ｂに発生した振動を電圧値に変換して、それぞれ出力する。即ち、検出用圧電素子５０，６０は、第２アーム１３ａ又は１３ｂと一体となって発生した振動を検出する検出部として機能する。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。
【００３６】
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とを含む積層構造を有する。下部電極５４は、一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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とを含んだ積層構造を有する。下部電極６７は、一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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等を主成分として構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等を主成分として構成される。
【００３７】
このような構成の角速度センサ１００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又は図４に示すＸ軸方向において、互いに逆位相で屈曲振動乃至面内振動Ｖ１，Ｖ２する（駆動モード）。これに伴い、第２アーム１３ａ，１３ｂも、Ｘ軸方向において、互いに逆位相で屈曲振動乃至面内振動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のサイズ条件等によって決まるところ、上述した具体的寸法による構成例では約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１００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軸方向即ち図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、面垂直方向即ちＹ軸方向にも振動するようになる（検出モード）。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５０，６０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乃至角速度ωに比例した出力が得られる。
【００３８】
図５に、本基本構成による角速度センサ１００におけるＨ型振動子１０の部位の歪み量を示す。図５を参照すると明らかなように、Ｈ型振動子１０が面内振動を行う駆動モードにおいて、最も歪みの大きな部分は、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂとによって規定される又部１１’、及び、支持部１１と第２アーム１３ａ，１３ｂとによって規定される又部１１’である。そのため、本基本構成では、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の駆動を効率よく行うことができる。
【００３９】
第１アーム１３ａに配設した検出用圧電素子５０からの検出信号、及び、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６に示すような差動回路として構成された検出回路で取り出すことができる。図６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共に、外来ノイズを低減することもできる。尚、図６に示す差動回路において、図中の二点鎖線より左側の領域のゲインは１＋（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１で表され、二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。
【００４０】
また、上述した基本構成は、例えば図７に示すように変形することも可能である。図７に示す角速度センサ１００ａは、図１に示す角速度センサ１００と比較して、支持部１１の長さＬ１がアームの長さＬ３と同程度とされている点、即ち、支持部１１がアーム方向に長く構成されている点と、駆動用圧電素子４０が第１アーム１２ａ，１２ｂの又部１１’に接するように支持部１１上に形成されている点とが異なる。このように構成しても、上述の角速度センサ１００と同一の断面形状を有し、且つ同様な効果を得ることができる。
【００４１】
〔第１の実施形態〕
次に、上述した基本構成を発展させた本発明による角速度センサを、以下に第１の実施形態として図面を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明では、角速度センサ１００ａを基本として発展させた場合について例に挙げ、且つ同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
図８は、本実施形態に係る角速度センサ１０１の構成を示す平面図である。図１に示すように、角速度センサ１０１は、図１又は図７に示す角速度センサ１００，１００ａと同様に、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及び一対の検出用圧電素子５０，６０とを有する。
【００４３】
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とを有して構成されている。一対の第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂは、互いに同一形状を有して平行に延在している。また、図８における線ＩＩ−ＩＩに沿った断面に示される各アームの断面形状は、図２に示す形状と同一である。このように、Ｈ型振動子１０は、図８及び図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−Ａ１と有すると共に、アーム延出方向に対して平行であって対称面Ａ１−Ａ１に対して直行する対称面Ａ２−Ａ２を有する対称性の高い形状に形成されている。
【００４４】
一対のトーションバー３０は、図１と同様に、Ｈ型振動子１０のアーム延出方向における中央に位置する支持部１１にてＨ型振動子１０をフレーム２０に固定している。また、図８における線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面に示される各トーションバー３０の断面形状は、図３に示す形状と同一である。但し、上述にもあるように、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共に厚みを小さくし、且つ、一対のトーションバー３０の重心を支持部１１の在る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共に、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１００を製造することが可能となる。
【００４５】
駆動用圧電素子４０は、図７と同様に、第１アーム１２ａ，１２ｂと支持部１１とにより規定される又部１１’に接するように支持部１１上に設けられており、下部電極４１及び上部電極４３と、これらに挟まれた圧電膜４２とを含んだ積層構造を有している。破線で示す下部電極４１は、何れか一方のトーションバー３０の上を通るように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。上部電極は、もう一方のトーションバー３０の上を通るように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。両電極４１、４３に挟まれた圧電膜４２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），ＰＺＴ（ペロブスカイト型の結晶構造を持つ酸化物強誘電体）等を主成分として構成される。尚、電極４１，４３は、アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），金（Ａｕ）等を主成分として構成される。
【００４６】
検出用圧電素子５０，６０は、図１又は図７と同様に、第２アーム１３ａと支持部１１との接合部、及び、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。検出用圧電素子５０は、下部電極５４及び上部電極５６と、これらに挟まれた圧電膜５５とを含む積層構造を有する。下部電極５４は、一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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及び上部電極６９と、これらに挟まれた圧電膜６８とを含んだ積層構造を有する。下部電極６７は、一方のトーションバー３０の上を通るように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の上を通るように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等を主成分として構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等を主成分として構成される。
【００４７】
このような構成において、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの付け根には、図８に示すような溝２１，２２，２３，２４，３１，３２，３３，３４が形成されている。換言すれば、各アームの支持部１１側の端（これを根元とする）がアームの胴体幅よりも細く形成されている。アームの根元を細くすることで、この部分の剛性を低下させることができる。このように、アームの根元の剛性を低下させることで、見かけ上のアームの長さが長くなり、Ｈ型振動子１０の面内振動でアームが開閉する駆動モードにおけるアームのモーメントを増大させることができる。この結果、同一の共振周波数に対してアームの駆動速度Ｖ１（Ｖ２）を増加させることが達成されるため、回転角速度Ωが加わった際に発生するコリオリ力が大きくなり、角速度センサ１０１の高感度化を図ることができる。
【００４８】
また、図８に示す線ＩＶ−ＩＶに沿った材料基板のみの断面形状を図９に示す。図８及び図９に示すように、各アームの根元にそれぞれ深さＬ１２の溝２１〜２４，３１〜３４が設けられている。この溝２１〜２４，３１〜３４は、Ｈ型振動子１０の耐久性を鑑みて、最も深く形成されることが好ましい。例えばアームの胴体幅Ｌ４を５００μｍとした場合、深さＬ１２を１００μｍ程度とすることで、Ｈ型振動子１０に要求する耐久性を満足しつつ、感度を向上させることができる。
【００４９】
図１０に、本実施形態による角速度センサ１０１におけるＨ型振動子１０の各部の歪み量を示す。図１０を参照すると明らかなように、Ｈ型振動子１０が面内振動を行う振動モードにおいて、支持部１１と第１アーム１２ａ，１２ｂとによって規定される又部１１’、及び、支持部１１と第２アーム１３ａ，１３ｂとによって規定される又部１１’、即ち、溝２１〜２４，３１〜３４が形成された部分における歪み量が、図５に示すグラフ（溝の無い状態）と比較して、増加している。そのため、この部分に配設された検出用圧電素子５０，６０を介して感度良く検出を行うことが可能となったことがわかる。
【００５０】
尚、第１アーム１３ａに配設した検出用圧電素子５０からの検出信号、及び、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、上述と同様に、図６に示すような差動回路として構成された検出回路で取り出すことができる。
【００５１】
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及び図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１１及び図１２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及びトーションバー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１１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１２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１１６’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及びエッチング幅調整用レジストパターン１１６’の離隔距離Ｌ１２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Ｌ１１，Ｌ１１’とが異なるところ、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、図１１及び図１２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１２ａ，１２ｂ，及び第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。更に、このレジストパターン１１６に予め溝２１〜２４，３１〜３４作成用の窪み２１’〜２４’，３１’〜３４’を設けておくことで、エッチングの際に同時に溝２１〜２４，３１〜３４も形成することが可能となる。
【００５２】
但し、図１１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が、シリコン基板乃至フレーム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、又は、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つける可能性がある。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（但し、Ｈ型振動子１０における駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０が形成される面を表面とする）に二酸化シリコン（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膜又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１２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分を介してシリコン基板乃至フレーム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無い。
【００５３】
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及び第２アーム１３ａ，１３ｂとフレームとの離隔距離Ｌ１１を２００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２ｂ間の離隔距離及び第２アーム１３ａ，１３ｂ間の離隔距離Ｌ５を２００μｍとし、第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの先端とフレーム２０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良い。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。
【００５４】
次に、上述した角速度センサ１０１をパッケージングした場合の構成を図１３を用いて説明する。図１３は、図８の線ＩＩ−ＩＩに沿ってパッケージごと角速度センサ１０１を切断した際の断面形状を示す図である。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を介して一体形成された構造をとる。そのため、角速度センサ１０１のパッケージングは、図１３（ａ）に示すように、陽極接合法や直接接合法等によって、ガラスやシリコン（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１３（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又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、陽極接合法や直接接合法等によって、角速度センサ１０１に接合しても良い。
【００５５】
次に、本実施形態による角速度センサ１０１の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００５６】
図１４及び図１５に、図８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示す。尚、図１４及び図１５では、製造工程における、図８の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面形状の様子を表す。また、材料基板にはシリコン基板Ｓを使用する。
【００５７】
角速度センサ１０１の製造において、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、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を有してなる酸化膜１２１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等にパターン形成される金属膜１２２を、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料のスパッタリング又は蒸着等により成膜する。酸化膜１２１の膜厚は例えば０．２μｍ程度であり、金属膜１２２の膜厚は例えば０．１μｍ程度である。酸化膜１２１は、シリコン基板Ｓとして抵抗率がおよそ１０００Ω・ｃｍ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。従って、シリコン基板Ｓとして、抵抗率がおよそ１０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗基板を使用する場合には、酸化膜１２１は成膜しなくともよい。
【００５８】
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１２２をエッチングする。エッチングは、ドライエッチング又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，硝酸等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４１，５４，６７がパターン形成され、フレーム２０に形成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７１，７４，７７がパターン形成される。
【００５９】
次に、図１４（ｃ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ等の圧電材料をスパッタリング，蒸着，又は印刷等によって、圧電薄膜１２３を積層形成する。圧電薄膜１２３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１４（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１２３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、酢酸水溶液等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。
【００６０】
次に、図１４（ｅ）に示すように、シリコン基板Ｓに対して、金属膜１１４を、Ａｌ等の金属材料のスパッタリング又は蒸着等により成膜する。金属膜１１４の膜厚は例えば１μｍ程度である。そして、図１４（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、ドライエッチング又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、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）及び塩素（Ｃｌ２）の混合ガス等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。
【００６１】
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５０，６０、及びこれらに伴う配線構造を形成した後、図１５（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１５（ｂ）に示すように、露光及び現像を経てフォトレジスト１１５をパターニングすることで、図１１又は図１２に示すようなレジストパターン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，及びトーションバー３０に対応する平面視形態を有し、駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０を覆っている。
【００６２】
次に、図１５（ｃ）に示すように、レジストパター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、Ｈ型振動子１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体形成される。且つ、この際、溝２１〜２４，３１〜３４も一緒に形成される。この後、図１５（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及び検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速度センサ１０１が完成する。但し、本発明では、図１５（ｂ）に示す工程において、図１１又は図１２を参照して上述したように、レジストパターン１１６と共にエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を形成しても良い。これによって、図１５（ｃ）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。
【００６３】
図１５では、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，及びトーションバー３０の一体形成に際して、片面エッチングを採用する場合の工程を表した。本実施形態では、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１４に示す一連の工程の後に、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）を参照して説明した工程を経て、図１６（ａ）に示すような状態とする。即ち、シリコン基板Ｓに対してフォトレジスト１１５を積層し、露光及び現像を経てレジストパターン１１６を形成する。次に、図１６（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との基板上位半分が形成されたこととなる。
【００６４】
次に、図１６（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１６（ｄ）に示すように、露光及び現像を経て、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１６（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１０と、フレーム２０と、トーションバー３０とが一体形成される。この後、図１６（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及び検出用圧電素子５０，６０が設けられた角速度センサ１０１が完成する。但し、本発明では、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示す工程において、図１１又は図１２を参照して上述したように、レジストパターン１１６，１１８と共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１６（ｂ）及び図１６（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。
【００６５】
また、以上の製造方法では、スパッタリング又は蒸着法等を用いて駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０を形成する場合を例に挙げていた。本実施形態では、これに代えて、駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０を形成する領域に導電性の樹脂を塗布し、これにバルクのＰＺＴ等の圧電体（圧電膜４２，５５，６８）を接着するように構成することも可能である。この際、塗布しておいた導電性の樹脂は、下部電極４１，５４，６７として機能する。また、圧電膜４２，５５，６８には予め上部電極４３，５６，６９を形成しておくと良い。このほか、下部電極４１，５４，６７を上述と同様にスパッタリング又は蒸着法等で形成し、且つ、圧電体（圧電膜４２，５５，６８）における下部電極４１，５４，６７との接着面に金属膜を形成しておき、両者を直接接合により接合するように構成することも可能である。この際、同様に、圧電膜４２，５５，６８には予め上部電極４３，５６，６９を形成しておくと良い。
【００６６】
また、以上では、Ｈ型振動子１０とフレーム２０とトーションバー３０とを一体形成する場合について例を挙げたが、本実施形態では、これに限定されず、例えば図１７に示すように、Ｈ型振動子１０及びトーションバー３０と、フレーム２０とを個別に形成し、これらを接合することで、角速度センサ１０１を作製することも可能である。
【００６７】
更に、本実施形態では、図７に示すような、駆動用圧電素子４０が又部１１’に接する支持部１１上に形成された角速度センサ１００ａを発展させた場合を例に挙げたが、歪みが最も発生する部位を考慮した場合、図１に示すような、駆動用圧電素子４０が又部１１’の側端を取り囲むように形成された角速度センサ１００に適用することもできる。この場合の構成及び製造方法は、上述より容易に想到し得るため、ここでは説明を省略する。
【００６８】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明において、上述と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６９】
図１８は、本実施形態に係る角速度センサ１０２の構成を示す平面図である。図１８に示すように、角速度センサ１０２は、図１，図７及び図８に示す角速度センサ１００，１００ａ，１０１と同様に、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及び一対の検出用圧電素子５０，６０とを有する。
【００７０】
この構成において、本実施形態では、第１の実施形態における溝２１〜２４，３１〜３４の代わりに、貫通穴２５，２６が設けられている。この貫通穴２５，２６は、支持部１１の剛性をＨ型振動子１０の中心（＝支持部１１の中心）に対して点対称に低減させ、支持部１１にバネ性を持たせるための構成である。即ち、Ｈ型振動子１０の中心に点対称に１つ以上の貫通穴２５，２６を設けることで、支持部１１の剛性が対称性良く低下する。貫通穴２５，２６の寸法は、例えばアームの延在方向と垂直方向の長さＬ１３を３００μｍ程度とし、アームの延在方向の長さＬ１４を１００μｍ程度とする。このような貫通穴２５，２６を複数設けることにより、駆動用圧電素子４０による歪み量及び検出用圧電素子５０，６０に入力される変位量が増加し、角速度センサ１０２の感度を向上させることが可能となる。
【００７１】
これを図１９を用いて詳細に説明する。尚、図１９では、Ｈ型振動子１０の第１アーム１２ａ，１２ｂ及び支持部１１にのみ着目し、且つ第１アーム１２ａ，１２ｂが開く若しくは閉じる場合を例に挙げて説明する。図１９（ａ）に示すように、アームを駆動用圧電素子４０を用いて開いた場合、若しくは、図１９（ｂ）に示すように、アームを閉じた場合、支持部１１には図示するような変形力が加わる。この変形力は、支持部１１の中央（対称面Ａ１−Ａ１が延在する位置を中央とする）付近と外側付近とで相反する方向へ働いている。支持部１１の剛性が高いと、生じた変形力により変形する量（変形量）が少ない。このため、検出用圧電素子５０，６０に入力する変位量も小さい。そこで、本実施形態のように、Ｈ型振動子１０の中心Ｃに対して対称に複数の貫通穴２５，２６を設けて支持部１１の剛性を低下させる。これにより、支持部１１中央と外側との変位量が大きくなる。即ち、検出用圧電素子５０，６０に入力する変位量が大きくなり、結果として、角速度センサ１０２の感度を向上させることができる。但し、支持部１１の中央及び外側付近貫通穴を設けた場合、発生した変形力が減衰してしまう。このため、支持部１１における中央側と外側との相対する変位を有効に生み出すために、貫通穴２５，２６を設ける位置は、支持部１１の中央及び外側以外の領域とすることが好ましい。尚、他の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７２】
また、参考として、貫通穴を点対称に２つ以上、例えば４つ（２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ）設けた場合のＨ型振動子１０の概略構成を図２０の平面図に示す。
【００７３】
また、本実施形態による角速度センサ１０２の製造方法では、例えば図２１又は図２２に示すような、貫通穴２５，２６を形成するための穴２５’，２６’を有するレジストパターン１１６が用いられる。このほかの工程は、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７４】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。上記した基本構成では、駆動用圧電素子４０と検出用圧電素子５０，６０とをＨ型振動子１０における表面（又は裏面）であって同一面上に形成していた。本発明では、これに限らず、例えば駆動用圧電素子４０及び／又は検出用圧電素子５０，６０を第１アーム１２ａ，１２ｂ又は第２アーム１３ａ，１３ｂの胴体側面であって、これらが配置された面と垂直を成す面（これを側面とする）に形成することも可能である。以下、これを第３の実施形態として例を挙げて説明する。但し、以下の説明では、駆動用圧電素子４０を側面に形成した場合を例に挙げて説明する。
【００７５】
図２３は、本実施形態による角速度センサ１０３の構成を示す平面図である。図２３に示すように、角速度センサ１０３における駆動用圧電素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、各々の第１アーム１２ａ，１２ｂの両側面に形成される。
【００７６】
上述において例えば図４又は図１９を用いて説明したように、駆動モードにおける第１アーム１２ａ，１２ｂの側面は、印加された高周波信号に基づいて伸縮を繰り返す。従って、圧電定数ｄ３１（ｐＣ／Ｎ）を有効に使うために、アームの側面にｄ３１が大きな圧電素子を成膜する。これにより、効率良くアームを駆動させることが可能となる。ここで、図２３における線ＶＩ−ＶＩに沿った断面構成を図２４（ａ）に示す。
【００７７】
図２４（ａ）に示すように、第１アーム１２ａの外側の側面には、下部電極４３ａと圧電膜４２ａと上部電極４１ａとが積層された駆動用圧電素子４０ａが形成され、内側の側面には、同じく、下部電極４３ｂと圧電膜４２ｂと上部電極４１ｂとが積層された駆動用圧電素子４０ｂが形成されている。また、第１アーム１２ｂも同様に、外側の側面に下部電極４３ａと圧電膜４２ａと上部電極４１ａとが積層された駆動用圧電素子４０ａが形成され、内側の側面に下部電極４３ｂと圧電膜４２ｂと上部電極４１ｂとが積層された駆動用圧電素子４０ｂが形成されている。それぞれの下部電極及び上部電極は、同一のアームに関わる２つ（上部電極及び下部電極、又は、上部電極／下部電極同士）が１組となってフレーム２０上に設けられた電極パッド８３ａ，８３ｃ又は電極パッド８１ａ，８１ｃに接続される。例えば図２５（ａ）では、アーム毎において、上部電極同士又は下部電極同士を共通に接続した場合の回路構成を示し、また、図２５（ｂ）では、アーム毎において、異なる駆動用圧電素子間の上部電極及び下部電極をそれぞれ共通に接続した場合の回路構成を示す。図２５中の矢印は分極方向を示す。尚、図２３では、アーム毎において、上部電極同士又は下部電極同士を共通に接続した場合の構成を示している。更に、図２３では、ボンディングされた金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等のワイヤ７１ａ’，７１ｂ’，７１ｃ’，７１ｄ’，７３ａ’，７３ｂ’，７３ｃ’，７３ｄ’を介して各電極と電極パッドとが相互に接続されている。
【００７８】
一方、検出モードは、駆動振動と直行する方向に振動を行うモードであるので、アームの表裏面が伸縮を繰り返す。従って、圧電定数ｄ３１（ｐＣ／Ｎ）が大きな圧電素子を第２アーム１３ａ，１３ｂの表裏面に成膜することで、効率よく検出信号を得ることが可能となる。ここで、図２３における線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面形状を図２４（ｂ）に示す。
【００７９】
図２４（ｂ）に示すように、第２アーム１３ａ（１３ｂ：以下、１３ｂ側を括弧付きで説明する）の何れか一方の主面（これを表面とする）には、下部電極５４ａ（６７ａ）と圧電体５５ａ（６８ａ）と上部電極５６ａ（６９ａ）とが積層された検出用圧電素子５０ａ（６０ａ）が形成されている。また、第２アーム１３ａ（１３ｂ）の裏面には、下部電極５４ｂ（６７ｂ）と圧電体５５ｂ（６８ｂ）と上部電極５６ｂ（６９ｂ）とが積層された検出用圧電素子５０ｂ（６０ｂ）が形成されている。即ち、本実施形態において第２アーム１３ａ（１３ｂ）には、２つの検出用圧電素子５０ａ，５０ｂ（６０ａ，６０ｂ）が表裏面にそれぞれ形成されている。
【００８０】
このような検出回路側の回路構成は、分極方向との組み合わせより多数のパターンが考えられる。このなかで、差動検出により外来ノイズを極力抑えるように構成した場合の回路構成を図２６に示す。図２６中の矢印は分極方向を示す。このように第２アーム１３ａ，１３ｂを挟み込むように形成した検出用圧電素子５０ａ及び５０ｂ，６０ａ及び６０ｂから出力される信号を差動信号として使用することで、Ｓ／Ｎ比を向上させ、結果として検出感度を向上させることが可能となる。尚、図２６（ａ）は、アーム毎において、上部電極同士又は下部電極同士を共通に接続した場合の回路構成を示し、また、図２６（ｂ）では、アーム毎において、異なる駆動用圧電素子間の上部電極及び下部電極をそれぞれ共通に接続した場合の回路構成を示す。
【００８１】
本実施形態による検出用圧電素子５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂは、第１の実施形態で説明した検出用圧電素子５０，６０の製造工程を、シリコン基板Ｓの表裏面に対して行うことで形成できる。また、駆動用圧電素子４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、例えば駆動用圧電素子を形成する領域に導電性の樹脂を塗布し、これにバルクのＰＺＴ等の圧電体（圧電膜４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ）を接着するように構成することも可能である。この際、塗布しておいた導電性の樹脂は、下部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄとして機能する。また、圧電膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄには予め上部電極４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを形成しておくと良い。このほか、下部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを上述と同様にスパッタリング又は蒸着法等で形成し、且つ、圧電体（圧電膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）における下部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄとの接着面に金属膜を形成しておき、両者を直接接合により接合するように構成することも可能である。この際、同様に、圧電膜４２ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄには予め上部電極４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを形成しておくと良い。
【００８２】
また、本実施形態では、１つのアームにおいて、対向する平行な２面にそれぞれ駆動用圧電素子又は検出用圧電素子を形成したが、本発明ではこれに限定されず、例えば第１アーム１２ａ，１２ｂの外側の面にだけ、駆動用圧電素子（４０ａ，４０ｃ）を形成する構成としても、１つのアームに駆動用圧電素子と検出用圧電素子との双方を形成する構成としても良い。
【００８３】
以上のように構成することで、圧電体の圧電定数ｄ３１を有効に活用することが可能となり、アームの駆動効率及び検出回路での検出感度を向上させることが可能である。尚、他の構成及び製造方法については、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００８４】
〔第４の実施形態〕
また、上述の第１の実施形態における溝２１〜２４，３１〜３４の他の構成例を以下に第２の実施形態として図面を用いて詳細に説明する。図２７（ａ）は、本実施形態による角速度センサ１０４の第１アーム１２ａ，１２ｂの付け根部分を拡大した部分上面図である。また、図２７（ａ）の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面形状を（ｂ）に示す。
【００８５】
図２７（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態による溝２７ａ，２７ｂは、第１アーム１２ａ，１２ｂの付け根部分を外周するように形成されている。この溝２７ａ，２７ｂの深さＬ１２は、例えば均一で、第１の実施形態における溝２１〜２４，３１〜３４の深さと同じである。これにより、この部分の剛性が低下し、角速度センサ１０４の感度をより向上させることが可能となる。尚、本実施形態では、同様の溝が第２アーム１３ａ，１３ｂの付け根部分にも形成される。
【００８６】
このような溝２７ａ，２７ｂ（但し、第２アーム側に形成する溝も含む）は、第１の実施形態における図１５（ｃ）で示した工程の後又は前に、表面及び裏面に形成する溝部分に対応する領域が開口されたフォトレジストを形成し、この開口部分を深さを制御しつつエッチングすることで形成される。尚、他の構成及び製造方法は、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００８７】
〔第５の実施形態〕
また、本発明を好適に実施した第５の実施形態を以下に図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では上述の第１の実施形態による角速度センサ１０１を基礎とした形態について例を挙げて説明する。
【００８８】
図２８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。図２９は、図２８の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿った断面図である。角度センサ１０５は、駆動用圧電素子４０，検出用圧電素子５０，６０、及び配線構造の一部の形態において、下部電極４１と、上部電極４３と、これらに挟まれた圧電体４２’とを含む積層構造を有する。圧電体４２’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７３’は例えば金で構成される。圧電体４２’は、ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ等によって構成される。また、電極４１，４３は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等によって構成される。但し、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等により構成される金属膜を介在させても良い。
【００８９】
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’とを含む積層構造を有する。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、例えば金を含んで構成されたワイヤ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’とを含む積層構造を有する。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、例えば金を含むワイヤ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、１００μｍ程度の厚みを有し、ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ等を含んで構成される。また、電極５４，５６，６７，６９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等を含んで構成される。但し、本発明において、検出用圧電素子５０の圧電体５５’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等を含んで構成される金属膜を介在させても良い。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等を含んで構成される金属膜を介在させても良い。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を有しない構造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１０５のための駆動回路又は検出回路に対して直接に接続される。
【００９０】
このような構成の角速度センサ１０５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及び一対の第２アーム１３ａ，１３ｂは、図２８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は面垂直方向即ち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６に示すような検出回路で取得することができる。
【００９１】
角速度センサ１０５の有する駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０の圧電体４２’，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及び検出用圧電素子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１０５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。尚、他の構成、例えば第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの根元に設けられた溝２１〜２４，３１〜３４の構成は、第１の実施形態と同様であり、これから得られる効果も同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００９２】
次に、図３０及び図３１を用いて角速度センサ１０５の製造方法の一例を示す。図３０及び図３１は、製造工程における、図２８の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿った断面形状の様子を表す。まず、図３０（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１２１を成膜し、更に、角速度センサ１０５において最終的に下部電極４１，５４，６７等にパターン形成される金属膜１２２を成膜する。但し、シリコン基板Ｓとして抵抗率がおよそ１０００Ω・ｃｍ以上の高抵抗基板を使用する場合には、酸化膜１２１は成膜しなくとも良い。次に、図３０（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１２２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８１，８４，８７がパターン形成され、且つ、これらを接続する配線７１，７４，７７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１２１及び金属膜１２２について、構成材料、成膜手段及びエッチング手法は、図１４（ａ）及び図１４（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。
【００９３】
次に、図３０（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３０（ｄ）に示すように、露光及び現像を経てフォトレジスト１１５をパター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１０５における、Ｈ型振動子１０，フレーム２０，及びトーションバー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７１，７４，７７、及び上部電極パッド８３，８６，８９を覆っている。更に、第１の実施形態と同様に、レジストパターン１１６には溝２１〜２４，３１〜３４を形成するための窪み２１’〜２４’，３１’〜３４’も含まれている。
【００９４】
次に、図３１（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１０５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３１（ｂ）に示すように、レジストパターン１１６を除去する。
【００９５】
次に、図３１（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４２’，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等を含んで構成され、１００μｍ程度の厚みを有する。上部電極４３，５６，６９は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ等のスパッタリングや蒸着により圧電体４２’，５５’，６８’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’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との間に圧電を印加することによって行う。
【００９６】
圧電体４２’，５５’，６８’には、上部電極４３，５６，６９の成膜と共に、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良い。そのような圧電体４２’，５５’，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’，５５’，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圧電を印加することによって行う。分極処理の後、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。
【００９７】
次に、図３１（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、例えば金を含むワイヤ７３’，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１０５が完成する。但し、本実施形態では、図３０（ｄ）に示す工程において、図１１及び図１２を参照して上述したように、レジストパターン１１６と共にエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を形成しても良い。これによって、図３１（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、Ｈ型振動子１０とフレーム２０とトーションバー３０とを一体成形する際、第１の実施形態の角速度センサ１０１の製造方法における図１６（ｄ）に示す工程にて示した結晶異方性エッチングによる両面エッチングを採用しても良い。
【００９８】
尚、上述では、第１の実施形態を基礎として説明したが、このほか、例えば第２又は第３の実施形態を基礎として、本実施形態を実現することも可能である。
【００９９】
〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１００】
図３２は、本実施形態に係る角速度センサ１０６の構成を示す平面図である。角速度センサ１０６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、各々検出用圧電素子５０，６０と同様な積層構造を有しており、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１０６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るため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、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。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子７０，８０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０１】
〔第７の実施形態〕
次に、本発明の第７の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１０２】
図３３は、本実施形態に係る角速度センサ１０７の構成を示す平面図である。角速度センサ１０７は、駆動用圧電素子及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１１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１１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とにわたって駆動用圧電素子４０’が設けられると共に、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及び検出用圧電素子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及び検出用圧電素子８０’に対して対称に配設されている。これと共に、駆動用圧電素子４０’及び検出用圧電素子７０’，８０’は、対称面Ａ１−Ａ１に直行する面Ａ５−Ａ５について、駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子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るため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、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とアームの接合部とが最も歪むので、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。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４０’及び検出用圧電素子７０，７０’，８０，８０’は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０３】
〔第８の実施形態〕
次に、本発明の第８の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１０４】
図３４は、本実施形態に係る角速度センサ１０８の構成を示す平面図である。角速度センサ１０８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１０８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３５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乃至伸縮を逆位相にし、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１０８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るため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、配線構造は省略する。また、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４５，４６及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０５】
〔第９の実施形態〕
次に、本発明の第９の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１０６】
図３６は、本実施形態に係る角速度センサ１０９の構成を示す平面図である。角速度センサ１０９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１０９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３７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乃至伸縮の歪みの大きさを代え、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１０９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るため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、配線構造は省略する。また、本実施形態の駆動用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０７】
〔第１０の実施形態〕
次に、本発明の第１０の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１０８】
図３８は、本実施形態に係る角速度センサ１１０の構成を表す。図３８（ａ）は角速度センサ１１０の平面図であり、図３８（ｂ）は図３８（ａ）の線Ｂ２−Ｂ２から見た矢視図である。角速度センサ１１０は、角速度センサ１０１の第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第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及び対称面Ａ２−Ａ２について対称に配設されて、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の雑音モード等が防がれている。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ため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、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礎部分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１１０の高感度化が図られる。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１０９】
〔第１１の実施形態〕
次に、本発明の第１１の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１１０】
図３９は、本発明の第１１の実施形態に係る角速度センサ１１１を表す。図３９（ａ）は角速度センサ１１１の平面図であり、図３９（ｂ）は図３９（ａ）の線Ｂ３−Ｂ３から見た矢視図である。角速度センサ１１１は、角速度センサ１０１の第１アーム１２ａ，１２ｂ及び第２アーム１３ａ，１３ｂの各々の先端に重り部９２が設けられていた構成をとる。重り部９２は、Ｈ型振動子１０の対称面Ａ１−Ａ１について対称に配設され、これによってＨ型振動子１０のバランスが保たれている。また、図示していないが、表裏面に対称に重り部を配設すれば更なるバランス確保に伴うドリフトの向上および感度向上が可能であることは言うまでも無い。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ため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、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１１１の高感度化を図ることができる。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１１１】
〔第１２の実施形態〕
次に、本発明の第１２の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本実施形態では、図１に示す基本構成を利用した第１の実施形態を基礎とした概略形態について例を挙げて説明する。
【０１１２】
図４０は、本実施形態に係る角速度センサ１１２の構成を示す平面図である。角速度センサ１１２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及び第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３０００μｍであり、アームの長さ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、捩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。即ち、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。尚、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ため、ここでは説明を省略する。尚、説明の簡略化のため、配線構造は省略する。また、他の実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０は、第５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。
【０１１３】
〔第１３の実施形態〕
図４１は、本発明の第１３の実施形態に係る角速度センサ１１３を表す。角速度センサ１１３では、センサ部１１３ａと回路部１１３ｂとが一体となっている。センサ部１１３ａは角速度センサ１０１と同一の構成である。回路部１１３ｂは、センサ部１１３ａの駆動用圧電素子４０を駆動するための駆動回路９３，及び、センサ部１１３ａ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６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及びトーションバー３０を形成する際のシリコン基板として、駆動回路９３及び検出回路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１４〜図１６を参照して説明したようにＨ型振動子１０，フレーム２０及びトーションバー３０を形成する。これとともに、駆動回路９３及び検出回路９４並びにこれらを駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子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１１３ａに対する駆動回路９３及び検出回路９４の配設が容易化される。尚、本実施形態の駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０は、第５の実施形態に係る分厚い圧電体を用いて構成しても良い。
【０１１４】
〔第１４の実施形態〕
次に、本発明の第１４の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図４２は、本実施形態による角速度センサ１１４の構成を示す平面図（左側）及び拡大図（右側）である。尚、以下の説明では、第１の実施形態による構成を基礎として以下に例を挙げる。
【０１１５】
図４２に示すように、本実施形態では、例えばバルクのＰＺＴ等の圧電体を有して構成された駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０をＨ型振動子１０に固定する際の位置決めを正確且つ容易に行うための位置決めマーカ９８，９９が、予めＨ型振動子１０上の搭載位置に設けられている。この位置決めマーカ９８，９９は、各圧電素子の下部電極４１，５４，６７と一体形成されている。即ち、製造工程において、位置決めマーカ９８，９９と一体の下部電極４１，５４，６７をシリコン基板Ｓの所定領域に形成し、これに上部電極４３，５６，６９が形成されたバルクの圧電膜４２，５５，６８を固着する。固着には、例えば接着材等を用いることができる。この際、導電性接着剤等の樹脂が有効である。特に、異方導電性接着材を用いることで、下部電極と圧電膜との電極面のみを確実に導電させることが可能である。このほか、圧電膜における下部電極４１，５４，６７との接着面に予め金属膜を形成しておき、これを下部電極と直接接合するように構成することも可能である。このように位置決めマーカ９８，９９を設けておくことで、本実施形態では角速度センサの歩留り及び製造効率を向上させることが可能となる。
【０１１６】
また、このほか、駆動用圧電素子４０及び検出用圧電素子５０，６０の位置決めのために、シリコン基板Ｓ上に例えば酸化シリコン膜で位置決め用マーカ（上記９８，９９と同様の形状）を設けても、シリコン基板Ｓ自体を位置決め用マーカ（上記９８，９９と同様の形状）を有するように加工してもよい。このほか、例えば図４３に示すように、シリコン基板Ｓ自体に貼り付ける圧電素子と同形状の凹部９７を所定の深さに設けても良い。これにより、同様に、角速度センサの歩留りを向上させることをが可能となる。尚、図４３（ａ）は、この際の角速度センサ１１４におけるＨ型振動子１０の上面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ４−Ｂ４に沿った断面形状を示す。
【０１１７】
〔第１５の実施形態〕
また、上述した各実施形態では、Ｈ型振動子１０の基板にシリコン基板を用いていたが、本発明では、このほかにも、例えば水晶やタンタル酸リチウム（ＬＴ）やニオブ酸リチウム（ＬＮ）やＰＺＴ等の圧電素子の基板を用いることが可能である。これらの材料の何れか１つ以上を用いて、上述した何れかの実施形態による角速度センサを形成することで、同様に、高感度の角速度センサを製造することが可能である。
【０１１８】
〔第１６の実施形態〕
また、上記した各実施形態では、材料基板としてシリコン基板（Ｓ）を用いていた。本発明ではこれに限定されず、材料基板として例えば圧電基板を用いることも可能である。以下、これを第１６の実施形態として図面に示す。
【０１１９】
図４４は、本実施形態による角速度センサ１１６の構成を表す。図４４（ａ）は角速度センサ１１６の平面図であり、（ｂ）はその線Ｂ５−Ｂ５に沿った断面形状を示す図である。図４４に示すように、本実施形態では圧電材料で形成された第２アーム１３Ａ，１３Ｂを挟んで、検出用圧電素子を形成するための下部電極１５４，１６７及び上部電極１５６，１６９が形成されている。尚、駆動用圧電素子側に関しても、Ｈ型振動子１０Ａの裏面には上部電極１４３に対向して下部電極が形成されている。
【０１２０】
このような構成において、第１アーム１２Ａ，１２Ｂの根元には上述した第１の実施形態と同様に溝２１〜２４が形成されており、また、第２アーム１３Ａ，１３Ｂの根元には同様に溝３１〜３４が形成されている。従って、本実施形態においても見かけ上のアームの長さが長くなり、検出感度を向上させることが達成されている。
【０１２１】
また、以上のように圧電基板を用いた構成は、第１の実施形態に限らず、他の実施形態に関しても、適宜適用することができるものである。
【０１２２】
〔他の実施形態〕
以上、説明した実施形態は本発明の好適な一実施形態にすぎず、本発明はその趣旨を逸脱しない限り種々変形して実施可能である。
【０１２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板及び圧電素子を用いた小型の角速度センサにおいて、アーム根元部分の形状を細くすることで剛性を低下させ、又は支持部に穴を設けることでバネ性を持たせるため、アームの変位量を増大することができ、これにより高感度化が実現される。また、基板の両面に駆動用，圧電用又はその両方の圧電素子を設けることでも角速度センサの高感度化が実現されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成に係る角速度センサ１００の構成を示す平面図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った部分断面図であり、（ａ）はＤｅｅｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを用いて形成した場合を示し、（ｂ）は結晶異方性エッチングを用いた形成した場合を示し、（ｃ）は各アーム間及びアーム−フレーム間の距離を等しくすることでエッチング幅調整用レジストパターン１１６’を用いることなく作製した場合を示す。
【図３】図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図であり、（ａ）はＤｅｅｐ−ＲＩＥによる片面エッチングを用いて形成した場合を示し、（ｂ）は結晶異方性エッチングを用いた形成した場合を示し、（ｃ）はトーションバー３０の幅を他の構成よりも狭く加工した場合を示す。
【図４】図１に示す角速度センサ１００の動作モードと検出モードとを説明するための図である。
【図５】図１に示す角速度センサ１００におけるＨ型振動子１０の部位毎の歪み量を示すグラフである。
【図６】本発明で用いられる検出回路の一例を示す回路図である。
【図７】本発明の基本構成に係る別の角速度センサ１００ａの構成を示す平面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサ１０１の構成を示す平面図である。
【図９】図８の線ＩＶ−ＩＶに沿った部分断面図である。
【図１０】図８に示す角速度センサ１０１におけるＨ型振動子１０の部位毎の歪み量を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサ１０１の製造方法で用いられる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１１６の構成を示す平面図である。
【図１２】図１１の別のレジストパターン１１６の構成を示す平面図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係るパッケージングされた角速度センサ１０１を図８の線ＩＩ−ＩＩに沿ってパッケージごと切断した際の断面形状を示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサ１０１の製造方法を説明するためのプロセス図である。
【図１５】図１４に続く製造方法を示すプロセス図である。
【図１６】図１４に続く別の製造方法を示すプロセス図である。
【図１７】図８に示す角速度センサ１０１をフレーム２０とＨ型振動子１０及びトーションバー３０とを別々に作製した場合の構成を示す平面図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ１０２の構成を示す平面図である。
【図１９】図１８に示す角速度センサ１０２における駆動モードでの様子を示す図であり、（ａ）はアームが開く場合の各部の変位を示し、（ｂ）はアームが閉じる場合の各部の変位を示す。
【図２０】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ１０２において貫通穴を４つ設けた場合の構成を示す平面図である。
【図２１】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサ１０２の製造方法で用いられる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１１６の構成を示す平面図である。
【図２２】図１１の別のレジストパターン１１６の構成を示す平面図である。
【図２３】本発明の第３の実施形態に係る角速度センサ１０３の構成を示す平面図である。
【図２４】（ａ）は図２３の線ＶＩ−ＶＩに沿った部分断面図であり、（ｂ）は図２３の線ＩＸ−ＩＸに沿った部分断面図である。
【図２５】図２３に示す角速度センサ１０３の駆動用圧電素子側の接続形態を示す図であり、（ａ）はアーム毎において上部電極同士及び下部電極同士を共通に接続した場合を示し、（ｂ）はアーム毎において異なる駆動用圧電素子間の上部電極及び下部電極をそれぞれ共通に接続した場合を示す。
【図２６】図２３に示す角速度センサ１０３の検出用圧電素子側において差動検出を実現した場合の接続形態を示す図であり、（ａ）はアーム毎において上部電極同士及び下部電極同士を共通に接続した場合を示し、（ｂ）はアーム毎において異なる駆動用圧電素子間の上部電極及び下部電極をそれぞれ共通に接続した場合を示す。
【図２７】本発明の第４の実施形態に係る角速度センサ１０４の構成を示す図であり、（ａ）はその部分平面図であり、（ｂ）は（ａ）の線ＩＶ−ＩＶに沿った部分断面図である。
【図２８】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサ１０５の構成を示す平面図である。
【図２９】図２８の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面図である。
【図３０】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサ１０５の製造方法を説明するためのプロセス図である。
【図３１】図３０に続く製造方法を示すプロセス図である。
【図３２】本発明の第６の実施形態に係る角速度センサ１０６の構成を示す平面図である。
【図３３】本発明の第７の実施形態に係る角速度センサ１０７の構成を示す平面図である。
【図３４】本発明の第８の実施形態に係る角速度センサ１０８の構成を示す平面図である。
【図３５】図３４に示す角速度センサ１０８の駆動用圧電素子４０，４５，４６へ印加する電圧波形の一例を示す図である。
【図３６】本発明の第９の実施形態に係る角速度センサ１０９の構成を示す平面図である。
【図３７】図３６に示す角速度センサ１０９の駆動用圧電素子４０，４５，４６，４７，４８へ印加する電圧波形の一例を示す図である。
【図３８】本発明の第１０の実施形態に係る角速度センサ１１０の構成を示す図であり、（ａ）はその平面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ２−Ｂ２に沿った部分断面図である。
【図３９】本発明の第１１の実施形態に係る角速度センサ１１１の構成を示す図であり、（ａ）はその平面図を示し、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ３−Ｂ３に沿った部分断面図である。
【図４０】本発明の第１２の実施形態に係る角速度センサ１１２の構成を示す平面図である。
【図４１】本発明の第１３の実施形態に係る角速度センサ１１３の構成を示す平面図である。
【図４２】本発明の第１４の実施形態に係る角速度センサ１１４の構成を示す平面図及びその部分拡大図である。
【図４３】本発明の第１４の実施形態に係る別の角速度センサ１１４におけるＨ型振動子１０の構成を示す図であり、（ａ）はその上面図であり、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ４−Ｂ４に沿った部分断面図である。
【図４４】本発明の第１６の実施形態に係る角速度センサ１１６の構成を示す図であり、（ａ）はその上面図であり、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ５−Ｂ５に沿った部分断面図である。
【図４５】従来のビーム型角速度センサ８００の構成を示す図であり、（ａ）はその斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の線Ｂ１−Ｂ１に沿った断面図である。
【図４６】従来の音叉型角速度センサ９００の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ Ｈ型振動子
１１ 支持部
１１’ 又部
１２ａ、１２Ａ、１２ｂ、１２Ｂ 第１アーム
１３ａ、１３Ａ、１３ｂ、１３Ｂ 第２アーム
２０ フレーム
２１、２２、２３、２４、２７ａ、２７ｂ、３１、３２、３３、３４ 溝
２１’、２２’、２３’、２４’、３１’、３２’、３３’、３４’ 窪み
２５、２５ａ、２５ｂ、２６、２６ａ、２６ｂ 貫通穴
２５’、２６’ 穴
３０ トーションバー
４０、４０’、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４５、４６、４７、４８ 駆動用圧電素子
４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、５４、５４ａ、５４ｂ、６７、６７ａ、６７ｂ、１５４、１６７ 下部電極
４３、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、５６、５６ａ、５６ｂ、６９、６９ａ、６９ｂ、１４３、１５６、１６９ 上部電極
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、５５、５５ａ、５５ｂ、６８、６８ａ、６８ｂ 圧電膜
５０、６０、５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂ、７０、７０’、８０、８０’検出用圧電素子
５５’、６８’ 圧電体
７１、７３、７４、７６、７７、７９ 配線
７１ａ’、７１ｂ’、７１ｃ’、７１ｄ’、７３’、７３ａ’、７３ｂ’、７３ｃ’、７３ｄ’、７６’、７９’ ワイヤ
８１ 駆動下部電極パッド
８１ａ、８１ｃ、８３ａ、８３ｃ 電極パッド
８３ 駆動上部電極パッド
８４、８７ 検出下部電極パッド
８６、８９ 検出上部電極パッド
９０ａ パッケージング部材
９０ａ’ 退避部
９０ｂ スペーサ
９１ 嵩高部
９２ 重り部
９３ 駆動回路
９４ 検出回路
９７ 凹部
９８、９９ 位置決めマーカ
１００、１００ａ、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１６ 角速度センサ
１１３ａ センサ部
１１３ｂ 回路部
１１６、１１８ レジストパターン
１１６’ エッチング幅調整用レジストパターン
１１６’ａ 架橋部
Ｓ シリコン基板
Claims (15)
- 長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部を有し、
前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端が該第１又は第２の腕部の胴体幅よりも細くなっていることを特徴とする角速度センサ。 - 前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端に溝を有することを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
- 前記溝は前記腕部を外周するように形成されていることを特徴とする請求項２記載の角速度センサ。
- 長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部と、
該支持部に形成された２つ以上の穴とを有することを特徴とする角速度センサ。 - 前記穴は前記支持部の中心に関して点対称に形成されていることを特徴とする請求項４記載の角速度センサ。
- 長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第１の腕部と該第１の腕部を振動させるための第１の圧電素子とを含む振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む少なくとも２本の第２の腕部と該第２の腕部に発生した振動を検出するための第２の圧電素子とを含む検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記第１及び第２の圧電素子の少なくとも一方は前記腕部の胴体部分であって対向する２面に形成されていることを特徴とする角速度センサ。 - 前記第１及び／又は第２の圧電素子は、第１及び第２の電極膜で挟まれた圧電体を含んで構成され、
前記第１の電極膜は、少なくとも前記圧電体を位置決めするための凸部を有することを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の角速度センサ。 - 前記支持部と前記第１の腕部と前記第２の腕部とのうち少なくとも１つは、前記第１及び／又は第２の圧電素子を位置決めするための凸部又は凹部を有することを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の角速度センサ。
- 前記第１及び／又は第２の圧電素子は、樹脂により前記支持部と前記第１又は第２の腕部とのうち少なくとも一方に固定されていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の角速度センサ。
- 前記樹脂は導電性樹脂又は異方性導電性樹脂であることを特徴とする請求項９記載の角速度センサ。
- 前記第１及び／又は第２の圧電素子は、少なくとも１面に第１の金属膜を有し、
前記支持部と前記第１又は第２の腕部の少なくとも一方は、前記第１又は第２の圧電素子を接合するための第２の金属膜を有し、
前記第１及び第２の金属膜を直接接合することで、前記第１又は第２の圧電素子を固定していることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の角速度センサ。 - 長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第１の腕部を該第１の腕部の表面に形成された第１の電極膜を用いて振動させる振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第２の腕部に発生した振動を該第２の腕部の表面に形成された第２の電極膜を用いて検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部を有し、
前記第１及び第２の腕部の少なくとも一方における前記支持部側の端が該第１又は第２の腕部の胴体幅よりも細くなっていることを特徴とする角速度センサ。 - 長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第１の腕部を該第１の腕部の表面に形成された第１の電極膜を用いて振動させる振動部と、長手方向に対して平行で且つ互いに平行な２面を含む圧電素子で形成された少なくとも２本の第２の腕部に発生した振動を該第２の腕部の表面に形成された第２の電極膜を用いて検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記第１及び第２の腕部と一体形成された支持部と、
該支持部に形成された２つ以上の穴とを有することを特徴とする角速度センサ。 - 前記第１又は第２の腕部の断面は、２本の該第１又は第２の腕部が延在する面に対して垂直で且つ該第１又は第２の腕部の長手方向と平行な面に関して面対称を成し、
前記第１及び第２の腕部と前記支持部とを含む振動子は、該支持部の中心に関して点対称を成していることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の角速度センサ。 - 前記支持部と前記第１及び第２の腕部との外周に形成されたフレームと、
該フレームと前記支持部とを連結して固定するトーションバーとを有し、
前記トーションバーの幅が前記支持部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載の角速度センサ。
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