JP2008026275A - 弾性表面波角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化・回路との集積化が図れる角速度センサを提供する。
【解決手段】圧電膜４の表面側に摂動錘兼上部電極６を形成すると共に、裏面側に下部電極３を形成する。また、摂動錘兼上部電極６の両側に検出用の櫛歯電極７〜１０を備える。このような構成の角速度センサは、摂動錘兼上部電極６に対して直接駆動電圧を印加することにより、摂動錘兼上部電極６を上下方向（基板垂直方向）に振動させることができる。このため、摂動錘兼上部電極６の振動に基づいて角速度を検出することが可能となる。したがって、従来のように摂動錘を中心とした一方向に沿って駆動用の櫛歯電極および反射器を並べる必要がなく、櫛歯電極７〜１０を配置するのみで良いため、角速度センサの小型化を図ることができ、回路と共に角速度センサを構成する場合には、回路との集積化も図ることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波を用いて摂動錘を駆動振動させ、この摂動錘に対して加えられる加速度の検出を行う弾性表面波角速度センサ（以下、単に角速度センサという）に関するものである。

従来、特許文献１、２において、弾性表面波を用いて角速度の検出を行う角速度センサが提案されている。特許文献１、２に記載されている角速度センサは、共に、同一原理に基づいて角速度を検出するものであり、センサを構成するデバイスの構造としては、圧電単結晶基板上に金属配線で形成された駆動用の櫛歯電極、検出用の櫛歯電極、反射器および複数の摂動錘を備えたものを採用している。

図７は、特許文献１に記載された角速度センサのレイアウト図である。この図に示すように、略正方形に整列配置された複数の摂動錘Ｊ１を中心として、複数の摂動錘Ｊ１により形成される正方形の一辺と対向するように駆動用の櫛歯電極Ｊ２が配置され、さらに、その駆動用の櫛歯電極Ｊ２および複数の摂動錘Ｊ１を挟むように両側に反射器Ｊ３、Ｊ４が配置されている。つまり、複数の摂動錘Ｊ１により形成される正方形の相対する二辺と対向するように駆動用の櫛歯電極Ｊ２および反射器Ｊ３、Ｊ４が配置されることで、駆動用の櫛歯電極Ｊ２および反射器Ｊ３、Ｊ４からなる１つの弾性表面波デバイスが図７中のｘ軸方向に並べられ、そのデバイスの伝播路上に複数の摂動錘Ｊ１が配置された構成となっている。

また、複数の摂動錘Ｊ１により形成される正方形の相対する他の二辺と対向するように検出用の櫛歯電極Ｊ５、Ｊ６が設けられると共に、その検出用の櫛歯電極Ｊ５、Ｊ６および複数の摂動錘Ｊ１を挟むように両側に反射器Ｊ７、Ｊ８が配置されることで、検出用の櫛歯電極Ｊ５、Ｊ６および反射器Ｊ７、Ｊ８からなるもう１つの弾性表面波デバイスが図７中のｙ軸方向に並べられ、そのデバイスの伝播路上に摂動錘Ｊ１が配置された構成となっている。

このように構成される角速度センサは、以下のように作動する。図８に、角速度センサの駆動用の櫛歯電極Ｊ２による定在波の振動分布と摂動錘Ｊ１との関係とその角速度センサに発生するコリオリ力の説明図を示し、この図を参照して説明する。

駆動用の櫛歯電極Ｊ２に交流電圧を印加し、その駆動用の櫛歯電極Ｊ２のピッチで決まる共振周波数、たとえば１０ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの信号で駆動すると、弾性表面波が励起される。このとき、弾性表面波が反射器Ｊ３、Ｊ４で閉じ込められるため、弾性表面波の励振効率が向上していく。また、反射器Ｊ３、Ｊ４により、駆動用の櫛歯電極Ｊ２と反射器Ｊ４の間にある伝播路に定在波が生成される。

そして、複数の摂動錘Ｊ１のピッチが定在波の波長に合わせられており、各摂動錘Ｊ１それぞれが定在波の腹の部分に位置するようにパターニングされているため、摂動錘Ｊ１が定在波の最大振幅位置で振動する。なお、「定在波の腹」とは、基板面に垂直方向の振動成分が最大となる場所のことを意味している。

このとき、対角線上において隣接している各摂動錘Ｊ１が定在波の振幅の上下逆位相となる位置に配置されているため、図８に示すように、摂動錘Ｊ１１〜Ｊ１４と摂動錘Ｊ１５は逆位相振動する。

このような状態において、図中で、ｘ方向の回りに回転（角速度）Ωｘが加わった場合、摂動錘Ｊ１に振動速度に比例したコリオリ力による加速度ａ＝２ｖ×Ωがｙ方向に加わる。ｖとΩｘはベクトル量であるから、摂動錘Ｊ１１〜Ｊ１４と摂動錘Ｊ１５に作用する力は逆位相となる。

また、コリオリ力によるそれぞれの摂動錘Ｊ１１〜Ｊ１５で生じる加振力は、駆動定在波（ｘ方向）とは直行する向き（ｙ方向）に弾性波を励振することとなる。これらの摂動錘Ｊ１１〜Ｊ１５において駆動される弾性波は、摂動錘Ｊ１（たとえば、摂動錘Ｊ１１とＪ１２）がｙ方向に対し波長の整数倍で配置されるため、検出用の櫛歯電極Ｊ５、Ｊ６の空間に弾性波動が励振される。そして、検出用の櫛歯電極Ｊ５、Ｊ６と対向するように反射器Ｊ７、Ｊ８が設置されているため、コリオリ力によって励振された波によって定在波が励振される。この定在波の強さがコリオリ力に比例しているため、検出用の櫛歯電極Ｊ５、Ｊ６で電圧または電荷を計測することにより、回転角速度を計測することが可能となる。
特開平８−３３４３３０号公報 米国特許第６５１６６６５号明細書

これら特許文献１、２に記載された技術は、高周波のメカニカルフィルタ（セラミックスフィルタ、ＳＡＷフィルタ）に基づき成り立っているため、角速度センサを形成するための圧電単結晶基板として、主にＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃を用いると想定される。

しかしながら、このような圧電単結晶基板は、メカニカルフィルタの分野では良く用いられているが、この上に摂動錘Ｊ１を設けて角速度センサを構成する場合には、小型化、回路との集積化には適していない。例えば、上述したように、駆動用の櫛歯電極Ｊ２による振動によって定在波を発生させ、複数の摂動錘Ｊ１を定在波の腹の位置に配置することによってコリオリ力を検出するようにしているため、数多くの摂動錘Ｊ１を広範囲に配置しなければならず、上述したように小型化、回路との集積化に適さない。

また、これら構造では、複数の摂動錘Ｊ１それぞれを定在波の腹の位置に配置できるようにしなければならないため、個々の摂動錘Ｊ１の質量が小さく、コリオリ力は摂動錘Ｊ１の質量、速度に比例するため、感度が小さくなるという問題もある。

本発明は、上記問題に鑑みて、小型化・回路との集積化が図れる角速度センサを提供することを第１の目的とする。また、高感度にできる角速度センサを提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、表面となる第１面と裏面となる第２面を有した圧電体（４）と、圧電体（４）の第１面側に形成された摂動錘兼上部電極（６）と、圧電体（４）の第２面のうち、少なくとも摂動錘兼上部電極（６）と対向する位置に形成された下部電極（３）と、摂動錘兼上部電極（６）から離間して配置され、摂動錘兼上部電極（６）に対して加えられた角速度に応じた物理量を検出する検出器（７〜１０、２１〜２４）と、を有したセンサ部を備えていることを特徴としている。

このような構成の角速度センサでは、摂動錘兼上部電極（６）に対して直接駆動電圧を印加することにより、摂動錘兼上部電極（６）を上下方向（基板垂直方向）に振動させることができる。このため、摂動錘兼上部電極（６）の振動に基づいて角速度を検出することが可能となる。このような角速度センサによれば、従来の摂動錘のために必要とされる面積よりも摂動錘兼上部電極（６）のために必要とされる面積が小さく、かつ、摂動錘を中心とした一方向に沿って駆動用の櫛歯電極および反射器を並べる必要がなく、検出器（７〜１０）を配置するのみで良くなる。したがって、角速度センサの小型化を図ることができ、回路と共に角速度センサを構成する場合には、回路との集積化も図ることが可能となる。

また、このような角速度センサでは、例えば、検出器（７〜１０、２１〜２４）を第１検出器（７、８）および第２検出器（９、１０）を含んだ構成とし、摂動錘兼上部電極（６）を挟んだ両側に１つずつ該第１、第２検出器（７〜１０）を配置して、これら第１、第２検出器（７〜１０）および摂動錘兼上部電極（６）を同軸上に配置することができる。

この場合、第１、第２検出器（７〜１０）の出力の差に基づいて、角速度の検出を行うようにすれば、不要振動の影響をキャンセルすることができる。

さらに、検出器（７〜１０、２１〜２４）を第１、第２検出器（７〜１０）に加えてさらに第３検出器（２１、２２）および第４検出器（２３、２４）を含んだ構成とし、摂動錘兼上部電極（６）を挟んだ両側に１つずつ該第３、第４検出器（２１〜２４）を配置して、これら第３、第４検出器（２１〜２４）および摂動錘兼上部電極（６）を同軸上に配置し、この軸が第１、第２検出器（７〜１０）および摂動錘兼上部電極（６）の配置された軸と垂直となるようにすることもできる。

このようにすれば、直交する２軸の角速度を検出することが可能となる。このことにより基板を伝わる電気的な直達波を抑制できる。

この場合、第１、第２検出器（７〜１０）の出力の差、第３、第４検出器（２１〜２４）の出力の基づいて、角速度の検出を行うようにすれば、不要振動の影響をキャンセルすることができる。

また、本発明において、圧電体（４）を圧電体で構成された基板により構成しても良いが、圧電体（４）を薄膜で構成し、該圧電体（４）の裏面側に、下部電極（３）を介して支持基板（２）を配置する構造とすることができる。

この場合、支持基板（２）を絶縁基板もしくは高抵抗の半導体材料よりなる基板にて構成することができる。

そして、この場合、支持基板（２）のうち、摂動錘兼上部電極（６）と対応する位置を抉り取られた穴部（２ａ）とすることで、摂動錘兼上部電極（６）をより大きく上下方向に振動させることが可能となり、より角速度センサの感度を高くすることが可能となる。

ただし、穴部（２ａ）を大きくし過ぎるとベンディングによる不要振動が発生する可能性がある。このため、穴部（２ａ）において、第１、第２検出器（７〜１０）が並べられる軸方向の穴部（２ａ）の両端部が摂動錘兼上部電極（６）の両端部よりも内側に配置されるようにすることで、そのような不要振動の発生を抑制することができる。

逆に、摂動錘兼上部電極（６）のうち第１、第２検出器（７〜１０）と対向する方向に関しては、第１、第２検出器（７〜１０）と摂動錘兼上部電極（６）のうち大きく上下振動が行われる領域が対向する長さを長くできるようにすると、第１、第２検出器（７〜１０）の出力を大きくすることができ、高感度化が図れる。このため、穴部（２ａ）において、第１、第２検出器（７〜１０）が並べられる軸方向と垂直方向の穴部（２ａ）の両端部が摂動錘兼上部電極（６）の両端部よりも外側に配置されるようにすると好ましい。

なお、上述した２軸の角速度検出が行えるようにする場合には、穴部（２ａ）において、第１、第２検出器（７〜１０）が並べられる軸方向及び第３、第４検出器（２１〜２４）が並べられる軸方向の穴部（２ａ）の両端部が摂動錘兼上部電極（６）の両端部よりも内側に配置されるようにすれば、上記のように不要振動の発生を抑制することができる。

また、本発明では、摂動錘兼上部電極（６）を１つのみで構成すると好ましい。このように摂動錘兼上部電極（６）を１つのみで構成すれば、摂動錘兼上部電極（６）の質量を重くすることが可能となり、摂動錘兼上部電極（６）の振動振幅を大きくでき、振動速度を大きくすることが可能となる。そして、角速度が加えられた場合、摂動錘兼上部電極（６）の振動速度に比例したコリオリ力による加速度が発生するため、振動速度が大きくできることにより、角速度センサの高感度化を図ることが可能となる。

また、本発明では、下部電極（３）を圧電体（４）の第２面のうち摂動錘兼上部電極（６）と対向する位置にのみ形成することもできる。

このようにすれば、検出器（７〜１０、２１〜２４）の下方に下部電極（３）が存在していない状態にできるため、電気的なパスがなくなり、直達波を抑制することが可能となる。

また、本発明では、圧電体（４）における第１面の表面には層間絶縁膜（５）を形成し、該層間絶縁膜（５）を介して摂動錘兼上部電極（６）を形成した構造とすることもできる。

このような構造とする場合、層間絶縁膜（５）を圧電体（４）における第１面のうち摂動錘兼上部電極（６）と対応する位置にのみ形成すると好ましい。これにより、上部電極と下部電極間での電流リークを防止することができる。また、層間絶縁膜（５）の質量を摂動錘兼上部電極（６）の質量に加えて錘として機能させることができ、より角速度センサの感度を高くすることが可能となる。

また、本発明では、例えば、圧電体（４）をＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰＴ、ＬｉＮｂＯ₃、ＬＴのいずれか１つにより構成することができる。このとき、圧電体（４）をＡｌＮにより構成した場合には、角速度センサと同チップ中にＣＭＯＳなどの他の素子を形成したとしても、金属汚染の要因とならないようにできる。

また、本発明では、摂動錘兼上部電極（６）もしくは下部電極（３）の電極材料として、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、もしくは不純物をドーピングしたＰｏｌｙ−Ｓｉのいずれか１つを用いることができる。このような電極材料を用いれば、角速度センサの製造を半導体プロセスにて行う場合に、下部電極（３）の形成時の金属汚染を防止することができる。

また、摂動錘兼上部電極（６）もしくは下部電極（３）の電極材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕのいずれか１つを用いることもできる。このような電極材料を用いれば、摂動錘兼上部電極（６）もしくは下部電極（３）の質量を重くすることが可能となる。

また、本発明では、摂動錘兼上部電極（６）を格子状に複数個分割し、該複数個に分割された摂動錘兼上部電極（６）をそれぞれ電気的に接続することで、各摂動錘兼上部電極（６）それぞれに駆動電圧が印加できる構造とすることもできる。

このような構成の場合、各摂動錘兼上部電極（６）それぞれでコリオリ力に基づいて発生する弾性波が互いに強め合うようにでき、角速度センサの感度を高めることが可能となる。

また、本発明では、センサ部を１チップ内に複数個配置することもできる。このようにすれば、各センサ部に備えられた検出器（７〜１０、２１〜２４）の出力を加算して増幅させることが可能となるため、より角速度センサを高感度にすることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の角速度センサ１を示したものであり、図１（ａ）は、角速度センサ１の上面レイアウトを示した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。なお、図１（ａ）は断面図ではないが、理解を容易にするために部分的にハッチングを示してある。

図１（ｂ）に示すように、角速度センサ１は、シリコンなどの半導体材料のような高抵抗材料や絶縁基板により構成された基板２を用いて形成され、この基板２上にセンサ部が形成されることにより構成されている。

基板２の表面全面に、例えば１〜１．５μｍの厚みの下部電極３が形成されている。この下部電極３は、不純物がドーピングされたＰｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ等によって構成されている。下部電極３を不純物がドーピングされたＰｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等で形成すれば、角速度センサ１の製造を半導体プロセスにて行う場合に、下部電極３の形成時の金属汚染を防止することができ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ等で形成すれば、質量を重くすることが可能となる。

下部電極３の表面全面に、例えば０．５〜２μｍの厚みの圧電膜４が形成されている。圧電膜４は、例えばＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰＴ等により構成されるが、ＡｌＮにより構成した場合には、角速度センサ１と同チップ中にＣＭＯＳなどの他の素子を形成したとしても、金属汚染の要因とならないようにできる。

圧電膜４の表面には、シリコン酸化膜などにより構成された層間絶縁膜５が形成されている。この層間絶縁膜５は必須のものではないが、圧電膜４をＡｌＮで構成する場合には形成するようにした方が好ましい。これは、後述する摂動錘兼上部電極６に対して電圧を印加し、摂動錘兼上部電極６と下部電極３の間に電界が掛けられたときに摂動錘兼上部電極６から下部電極３に向けてリーク電流が流れる可能性があるためである。

そして、層間絶縁膜５の表面に、摂動錘と上部電極を兼用する摂動錘兼上部電極６が形成されていると共に、検出器としての役割を果たす検出用の櫛歯電極７、８、９、１０が形成されている。摂動錘兼上部電極６および櫛歯電極７〜１０も、不純物がドーピングされたＰｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ等によって構成されている。摂動錘兼上部電極６を不純物がドーピングされたＰｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等で形成すれば、角速度センサ１の製造を半導体プロセスにて行う場合に、摂動錘兼上部電極６の形成時の金属汚染を防止することができ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ等で形成すれば、質量を重くすることが可能となる。

摂動錘兼上部電極６は、図１（ａ）に示すように、例えば長方形で構成されている。そして、この摂動錘兼上部電極６が構成する長方形の相対する二辺（具体的には２つの長辺）と対向するように、櫛歯状の検出器を構成する検出用の櫛歯電極７〜１０が摂動錘兼上部電極６を挟むように両側に配置された構成、つまりこれら摂動錘兼上部電極６および検出用の櫛歯電極７〜１０が図１（ａ）、（ｂ）のｘ軸方向に並べられた配置とされている。

摂動錘兼上部電極６には、図１（ｂ）に示されるように、例えばボンディングワイヤなどにより構成される駆動電圧印加ライン１１を通じて、駆動電源１２から駆動電圧が印加されるようになっており、ＧＮＤライン１３に接続される下部電極３との間に電位差を発生させることで、摂動錘兼上部電極６を直接的に図１（ｂ）の上下方向（ｚ軸方向つまり基板垂直方向）に振動させられるようになっている。

検出用の櫛歯電極７、８は、これらが一対となって一組の検出器（第１検出器）を構成するものである。これら検出用の櫛歯電極７、８は、共に、摂動錘兼上部電極６のうちｙ軸と平行な一辺と対向する複数の櫛歯部７ａ、８ａと、これら複数の櫛歯部７ａ、８ａを連結する連結部７ｂ、８ｂを有して構成されている。この検出用の櫛歯電極７、８は、互いの櫛歯部７ａ、８ａが等間隔に一本ずつ交互に、つまり互いの櫛歯部７ａ、８ａが噛合うように配置されることで、各櫛歯部７ａ、８ａが１本ずつ対向配置されている。そして、各連結部７ｂ、８ｂが櫛歯部７ａ、８ａを挟んで反対側に配置され、連結部７ｂが各櫛歯部７ａの紙面上方側の端部と接続され、連結部８ｂが各櫛歯部８ａの紙面下方側の端部と接続されている。

一方、検出用の櫛歯電極９、１０も同様であり、これらが一対となって一組の検出器（第２検出器）を構成するものである。これら検出用の櫛歯電極９、１０は、共に、摂動錘兼上部電極６のうちｙ軸と平行な他の一辺（つまり検出用の櫛歯電極７、８が配置される側とは反対側の一辺）と対向する複数の櫛歯部９ａ、１０ａと、これら複数の櫛歯部９ａ、１０ａを連結する連結部９ｂ、１０ｂを有して構成されている。この検出用の櫛歯電極９、１０は、互いの櫛歯部９ａ、１０ａが等間隔に一本ずつ交互に、つまり互いの櫛歯部９ａ、１０ａが噛合うように配置されることで、各櫛歯部９ａ、１０ａが１本ずつ対向配置されている。そして、各連結部９ｂ、１０ｂが櫛歯部９ａ、１０ａを挟んで反対側に配置され、連結部９ｂが各櫛歯部９ａの紙面上方側の端部と接続され、連結部１０ｂが各櫛歯部１０ａの紙面下方側の端部と接続されている。

このようなセンサ部を有した構造により、本実施形態の角速度センサ１が構成されている。続いて、本角速度センサ１の作動について説明する。

上述したように、角速度センサ１におけるセンサ部の駆動は、駆動電圧印加ライン１１を通じて駆動電源１２から摂動錘兼上部電極６に対して駆動電圧を印加すると共に、下部電極３をＧＮＤライン１３に接続することにより行われる。駆動電圧は、所定周波数の交流電圧とされており、この駆動電圧が摂動錘兼上部電極６に印加されることで、摂動錘兼上部電極６と下部電極３との間に電位差が生じてこれらの間に電界が発生させられ、摂動錘兼上部電極６を上下方向に励振させることができる。

この状態で例えば図１（ａ）、（ｂ）中のｙ軸周りの回転（角速度）Ωが加わった場合、摂動錘兼上部電極６に振動速度に比例したコリオリ力F＝２ｍｖ×Ωがｘ方向に加わる。このコリオリ力が加振力となり、上下の駆動振動（ｚ方向）とは直行する向き（ｘ方向）に弾性波を励振することとなる。これらの弾性波により、検出用の櫛歯電極７〜１０の空間に弾性波動が励振される。これにより、検出用の櫛歯電極７〜１０の電圧または電荷が変化するため、これを計測することにより、回転角速度を計測することが可能となる。

このとき、摂動錘兼上部電極６の両側に配置された櫛歯電極７、８と櫛歯電極９、１０の各組の出力の差に基づいて、回転角速度を計測すると好ましい。つまり、櫛歯電極７、８と櫛歯電極９、１０のいずれか一方の組の出力のみを用いる場合、不要振動の影響を受けた出力となっている可能性があるが、このように２つの組の出力を差を求めること（例えば、差動増幅を行うこと）により、その影響をキャンセルすることが可能になるためである。

次に、本実施形態の角速度センサ１の製造方法について説明する。

まず、シリコンなどの半導体材料のような高抵抗材料や絶縁基板により構成された基板２を用意する。このとき、基板２として半導体材料を用いれば、回路などと共に角速度センサ１を形成する場合において、回路との集積化を図ることも可能である。

この基板２の表面全面に、例えば１〜１．５μｍの厚みの下部電極３を成膜する。例えば、不純物がドーピングされたＰｏｌｙ−Ｓｉを堆積させたり、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ等の金属層をスパッタすることによって下部電極３を成膜する。

続いて、下部電極３の表面全面に、例えばＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰＴ等によって０．５〜２μｍの厚みの圧電膜４を形成する。この圧電膜４の表面に、シリコン酸化膜などを成膜することで層間絶縁膜５を形成する。

そして、層間絶縁膜５の表面に、不純物がドーピングされたＰｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ等を成膜したのち、それをパターニングすることで、摂動錘兼上部電極６および櫛歯電極７〜１０を形成する。この後は、ワイヤボンディングなどを行うことで、駆動電圧印加ライン１１やＧＮＤライン１３を形成したり、櫛歯電極７〜１０と接続される配線等を形成することで、本実施形態の角速度センサ１が完成する。

以上説明した本実施形態の角速度センサ１によれば、摂動錘兼上部電極６に対して駆動電圧を直接印加することにより、摂動錘兼上部電極６を上下方向に振動させるようにしている。このため、従来と比べて共振倍率を高め、高効率な励振が可能となる。すなわち、従来は図７に示したように、反射器Ｊ３、Ｊ４を用いて摂動錘Ｊ１を振動させて定在波を生成しているため、摂動錘Ｊ１の振動が小さく、速度も遅い。これに対して、本実施形態では、摂動錘兼上部電極６を直接上下方向に振動させられるため、振動を大きくでき、速度も早くできる。そして、コリオリ力が発生したときの検出用の櫛歯電極７〜１０の出力は、摂動錘兼上部電極６の振動の速度に依存するため、本実施形態のようにその速度を高くできることで櫛歯電極７〜１０の出力を高めることができる。

したがって、角速度センサ１を高感度にすることが可能となる。特に、本実施形態の場合、摂動錘兼上部電極６を従来の摂動錘Ｊ１の１つ１つと比べて大きくでき、摂動錘兼上部電極６の質量を大きく取ることができる。そして、コリオリ力が摂動錘兼上部電極６の質量、速度に比例することから、より感度を高くすることが可能となる。

また、本実施形態では、従来のように駆動用の櫛歯電極Ｊ２および反射器Ｊ３、Ｊ４を摂動錘Ｊ１を中心とした一方向（ｘ軸方向）に並べる必要がなく、検出用の櫛歯電極７〜１０を配置するのみで良いため、角速度センサ１の小型化を図ることができる。特に、本実施形態の場合、上記のように感度を高くすることができるため、摂動錘兼上部電極６に必要な面積を従来のように複数の摂動錘Ｊ１を形成するために必要な面積よりも小さくすることも可能であり、より角速度センサ１の小型化が図れるし、回路と共に角速度センサ１を形成する場合においても、回路との集積化を図ることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の角速度センサ１は、第１実施形態に対して検出器の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図２は、本実施形態の角速度センサ１の斜視図である。この図に示すように、本実施形態の角速度センサ１では、摂動錘兼上部電極６を正方形とし、正方形の相対する二辺と対向するようにｘ軸方向に沿って並べた検出用の櫛歯電極７〜１０に加えて、正方形の相対する他の二辺と対向するようにｙ軸方向に沿って並べた検出用の櫛歯電極２１〜２４を備えたことが異なる。櫛歯電極２１〜２４の構造は、基本的に櫛歯電極７〜１０と同様であり、例えば、摂動錘兼上部電極６を中心として櫛歯電極７〜１０を９０°回転させて配置したものが櫛歯電極２１〜２４となる。なお、櫛歯電極２１、２２が本発明の第３検出器、櫛歯電極２３、２４が本発明の第４検出器に相当するものである。

このような構成の角速度センサ１においては、上述したようなｙ軸周りの回転（角速度）が加わった場合だけでなく、ｘ軸周りの回転（角速度）が加わった場合にも、櫛歯電極２１〜２４にてその角速度を検出することが可能となる。これにより、２軸の角速度検出が可能となる。

なお、この場合に、第１、第２検出器に相当する検出用の櫛歯電極７〜１０の出力の差、および、第３、第４検出器に相当する検出用の櫛歯電極２１〜２４の出力の差に基づいて、角速度の検出を行うようにすれば、不要振動の影響をキャンセルすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の角速度センサ１は、第１実施形態に対して下部電極３および層間絶縁膜５の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図３（ａ）は、角速度センサ１の上面レイアウトを示した図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。なお、図３（ａ）は断面図ではないが、理解を容易にするために部分的にハッチングを示してある。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の角速度センサ１では、下部電極３および層間絶縁膜５を摂動錘兼上部電極６が形成されている位置と対応する場所にのみ配置した構成としている。

このように、層間絶縁膜５を摂動錘兼上部電極６が形成されている位置と対応する場所にのみ配置することで、層間絶縁膜５の質量分を摂動錘兼上部電極６の質量に加えた錘として寄与させることができ、より角速度センサ１の感度を高くすることが可能となる。すなわち、第１実施形態のように、層間絶縁膜５が圧電膜４の表面全面に形成されている場合、摂動錘兼上部電極６と共に層間絶縁膜５が上下振動するときに、基本的には層間絶縁膜５の質量分も摂動錘兼上部電極６の質量に加えられて錘が構成されることになるが、層間絶縁膜５に引っ張り応力が発生するため、実質的に層間絶縁膜５の質量分は錘として寄与しない。これに対して、本実施形態のように層間絶縁膜５を摂動錘兼上部電極６と対応する位置にのみ配置した構成とすれば、引っ張り応力の影響がほぼなくなり、層間絶縁膜５の質量を錘として機能させることが可能となる。さらに、圧電膜上に直接検出器が配置されることになるため層間膜による電圧降下がなく高感度に検出が可能となる。

また、本実施形態の角速度センサ１のように、下部電極３を摂動錘兼上部電極６が形成されている位置と対応する場所にのみ配置するようにすれば、検出用の櫛歯電極７〜１０の下方に下部電極３が存在していない状態、つまり櫛歯電極７〜１０から下部電極３に至る経路中に基板２が存在する構造になるため、電気的なパスがなくなり、直達波を抑制することが可能となる。

なお、このような構造の角速度センサ１は、基板２を用意したのち、基板２のうち下部電極３と対応する場所をエッチングなどにより除去すると共に、その除去した場所に選択的に下部電極３を形成し、その後、第１実施形態と同様の工程を行って層間絶縁膜５を形成してから、層間絶縁膜５をフォトエッチングなどによりパターニングすることで製造される。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態の角速度センサ１は、第１実施形態に対して基板２の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図４（ａ）は、角速度センサ１の上面レイアウトを示した図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。なお、図４（ａ）は断面図ではないが、理解を容易にするために部分的にハッチングを示してある。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の角速度センサ１では、摂動錘兼上部電極６が形成されている位置と対応する場所において、基板２を抉り取って穴部２ａを形成した構成としている。この穴部２ａのうちｘ軸方向（つまり検出用の櫛歯電極７〜１０が並べられる方向）の幅は摂動錘兼上部電極６よりも狭く、穴部２ａにおける両端が摂動錘兼上部電極６の両端よりも内側に位置する構成とされ、穴部２ａのうちｙ軸方向の幅は摂動錘兼上部電極６よりも広く、穴部２ａにおける両端が摂動錘兼上部電極６の両端よりも外側に位置する構成とされている。

このように、穴部２ａを設けることにより、摂動錘兼上部電極６をより大きく上下方向に振動させることが可能となり、より角速度センサ１の感度を高くすることが可能となる。 ただし、穴部２ａを大きくし過ぎるとベンディングによる不要振動が発生する可能性がある。これに対して、上述したように、穴部２ａのうちｘ軸方向の幅を摂動錘兼上部電極６よりも狭くすることで、そのような不要振動の発生を抑制することができる。

逆に、ｙ軸方向に関しては、櫛歯電極７〜１０における櫛歯部７ａ〜１０ａと摂動錘兼上部電極６のうち大きく上下振動が行われる領域が対向する長さを長くできるようにすると、櫛歯電極７〜１０の出力を大きくすることができ、高感度化が図れる。このため、上述したように、穴部２ａのうちｙ軸方向の幅を摂動錘兼上部電極６よりも広くすることで、高感度化を図ることが可能となる。

なお、このような穴部２ａは、基板２の裏面側からエッチングすることによって形成されるため、第１実施形態に対して下部電極３などを形成したあとで穴部２ａを形成するという工程を追加するだけで良い。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態の角速度センサは、第２実施形態に示した角速度センサ１に備えられたセンサ部を複数個配置したものである。図５は、本実施形態の角速度センサ１の斜視図である。この図に示すように、複数のセンサ部を１チップ内に配置しても良い。このようにすれば、各センサ部に備えられた櫛歯電極７〜１０および２１〜２４の出力を加算して増幅させることが可能となるため、より角速度センサ１を高感度にすることが可能となる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態の角速度センサ１では、第１実施形態に対して摂動錘兼上部電極６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図６（ａ）は、本実施形態の角速度センサ１の斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中の摂動錘兼上部電極６のみの上面レイアウトを表した図である。この図に示すように、本実施形態の角速度センサ１では、摂動錘兼上部電極６が格子状に複数個に分割されている。本実施形態の場合、摂動錘兼上部電極６がｘ軸方向に３つ並べられていると共に、ｙ軸方向にも３つ並べられ、３×３の合計９個に分割されている。各摂動錘兼上部電極６は例えばボンディングワイヤ等を介して電気的に接続されており、駆動電圧印加ライン１１から駆動電圧が均等に印加できるようになっている。このため、各摂動錘兼上部電極６はそれぞれ個別に上下方向に振動させられるようになっている。隣接しあう各摂動錘兼上部電極６の間隔は、各摂動錘兼上部電極６が上下方向に振動したときに同位相となるように、各摂動錘兼上部電極６の振動波の波長λの整数倍（ｎ倍）、好ましくは１倍とされている。

このような構成の場合、各摂動錘兼上部電極６それぞれでコリオリ力に基づいて発生する弾性波が互いに強め合うようにでき、角速度センサ１の感度を高めることが可能となる。なお、本実施形態のように摂動錘兼上部電極６を複数個に分割する場合、個々の摂動錘兼上部電極６の質量が小さくなるため、上下方向の振動が小さくなるが、コリオリ力により発生する弾性波が互いに強め合うことで、感度を低下させないようにできる。また、このように摂動錘兼上部電極６を分割したことにより、一見すると、従来に近い構造になるが、従来のように駆動用の櫛歯電極Ｊ２や反射器Ｊ３、Ｊ４を備える構造にするわけではないし、コリオリ力により発生する弾性波が互いに強め合うという現象を用いるものであるため、摂動錘兼上部電極６を形成するために必要となる面積も第１実施形態と変わらず、従来と比べれば小さくすることができる。このため、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、摂動錘兼上部電極６を長方形状に形成したが、これは単なる一例であり、必ずしも長方形にする必要はない。同様に、第２実施形態に関しても、摂動錘兼上部電極６が正方形でなくても良い。つまり、摂動錘兼上部電極６を上下方向に振動させられ、かつ、摂動錘兼上部電極６でコリオリ力に基づいて発生する弾性波が検出用の櫛歯電極７〜１０に伝達できるような形状であれば、どのような形状であっても構わない。

また、上記各実施形態では、検出器を櫛歯電極７〜１０にて構成したが、検出器として機能するものであればどのようなものであっても構わない。また、検出器の配置場所も上記各実施形態に示すように層間絶縁膜５の表面や圧電膜４の表面に形成するものに限らず、他の場所に形成されていても良い。例えば、第３実施形態に示したように、下部電極３を摂動錘兼上部電極６が配置された場所と対応する位置にのみ形成する場合には、下部電極３から離れた位置において、基板２の上に形成するようにすることもできる。

また、上記実施形態では、下層から順に基板２／下部電極３／圧電膜４／層間絶縁膜５／摂動錘兼上部電極６という構造を採用しているが、圧電膜４を基板として用いると共に下部電極３を圧電膜４の裏面に形成し、圧電膜４の表面に必要に応じて層間絶縁膜５を形成したのち、摂動錘兼上部電極６を形成するような構造としても構わない。すなわち、上記各実施形態では、圧電膜４を薄膜とし、この圧電膜４の表面を第１面、裏面を第２面として、第１面側に摂動錘兼上部電極６、第２面側に下部電極３を形成する構成とし、さらに下部電極３を介して第２面側に支持基板となる基板２を配置した構造としているが、圧電膜４を薄膜としなければ必ずしも基板２が必要になるわけではない。

このような構造であっても、摂動錘兼上部電極６に駆動電圧を直接印加することで上下方向に振動させるという本発明の特徴を実現できるため、少なくとも角速度センサ１の小型化や高感度化を図ることが可能である。

さらに、上記第２実施形態に示したような２軸の角速度検出が行えるようにする場合において、上記第４実施形態で示したような穴部２ａが形成されるようにする場合、穴部２ａにおいて、第１、第２検出器に相当する検出用の櫛歯電極７〜１０が並べられる軸方向及び第３、第４検出器に相当する検出用の櫛歯電極２１〜２４が並べられる軸方向の穴部２ａの両端部が摂動錘兼上部電極６の両端部よりも内側に配置されるようにすれば、上記のように不要振動の発生を抑制することができる。

本発明の第１実施形態における角速度センサ１を示したものであり、（ａ）は、角速度センサ１の上面レイアウトを示した図、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明の第２実施形態における角速度センサ１の斜視図である。 本発明の第３実施形態における角速度センサ１を示したものであり、（ａ）は、角速度センサ１の上面レイアウトを示した図、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第４実施形態における角速度センサ１を示したものであり、（ａ）は、角速度センサ１の上面レイアウトを示した図、（ｂ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第５実施形態における角速度センサ１の斜視図である。 （ａ）は、本実施形態の角速度センサ１の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）中の摂動錘兼上部電極６のみの上面レイアウトを表した図である。 従来の角速度センサのレイアウト図である。 角速度センサの駆動用の櫛歯電極による定在波の振動分布と摂動マスとの関係とその角速度センサに発生するコリオリ力の説明図である。

符号の説明

１…角速度センサ、２…基板、２ａ…穴部、３…下部電極、４…圧電膜、
５…層間絶縁膜、６…摂動錘兼上部電極、７〜１０…櫛歯電極、
７ａ〜１０ａ…櫛歯部、７ｂ〜１０ｂ…連結部、１１…駆動電圧印加ライン、
１２…駆動電源、１３…ライン、２１〜２４…櫛歯電極。

Claims (20)

1. 表面となる第１面と裏面となる第２面を有した圧電体（４）と、
   前記圧電体（４）の前記第１面側に形成された摂動錘兼上部電極（６）と、
   前記圧電体（４）の前記第２面のうち、少なくとも前記摂動錘兼上部電極（６）と対向する位置に形成された下部電極（３）と、
   前記摂動錘兼上部電極（６）から離間して配置され、前記摂動錘兼上部電極（６）に対して加えられた角速度に応じた物理量を検出する検出器（７〜１０、２１〜２４）と、を有したセンサ部を備えていることを特徴とする弾性表面波角速度センサ。
2. 前記検出器（７〜１０、２１〜２４）は、第１検出器（７、８）および第２検出器（９、１０）を含んでおり、該第１、第２検出器（７〜１０）が前記摂動錘兼上部電極（６）を挟んだ両側に１つずつ配置され、これら第１、第２検出器（７〜１０）および前記摂動錘兼上部電極（６）が同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波角速度センサ。
3. 前記第１、第２検出器（７〜１０）の出力の差に基づいて、前記角速度の検出を行うことを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波角速度センサ。
4. 前記検出器（７〜１０、２１〜２４）は、前記第１、第２検出器（７〜１０）に加えてさらに第３検出器（２１、２２）および第４検出器（２３、２４）を含んでおり、該第３、第４検出器（２１〜２４）も前記摂動錘兼上部電極（６）を挟んだ両側に１つずつ配置され、これら第３、第４検出器（２１〜２４）および前記摂動錘兼上部電極（６）が同軸上に配置されており、この軸が第１、第２検出器（７〜１０）および前記摂動錘兼上部電極（６）の配置された軸と垂直をなしていることを特徴とする請求項２または３に記載の弾性表面波角速度センサ。
5. 前記第１、第２検出器（７〜１０）の出力の差、前記第３、第４検出器（２１〜２４）の出力の差に基づいて、前記角速度の検出を行うことを特徴とする請求項４に記載の弾性表面波角速度センサ。
6. 前記圧電体（４）は薄膜であり、該圧電膜（４）の裏面側には、前記下部電極（３）を介して支持基板（２）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
7. 前記支持基板（２）は、絶縁基板もしくは高抵抗の半導体材料よりなる基板にて構成されていることを特徴とする請求項６に記載の弾性表面波角速度センサ。
8. 前記支持基板（２）のうち、前記摂動錘兼上部電極（６）と対応する位置は抉り取られた穴部（２ａ）とされていることを特徴とする請求項６または７に記載の弾性表面波角速度センサ。
9. 前記穴部（２ａ）において、前記第１、第２検出器（７〜１０）が並べられる軸方向の前記穴部（２ａ）の両端部が前記摂動錘兼上部電極（６）の両端部よりも内側に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の弾性表面波角速度センサ。
10. 前記穴部（２ａ）において、前記第１、第２検出器（７〜１０）が並べられる軸方向の前記穴部（２ａ）の両端部が前記摂動錘兼上部電極（６）の両端部よりも外側に配置されていることを特徴とする請求項８または９に記載の弾性表面波角速度センサ。
11. 前記穴部（２ａ）において、前記第１、第２検出器（７〜１０）が並べられる軸方向及び前記第３、第４検出器（２１〜２４）が並べられる軸方向の前記穴部（２ａ）の両端部が前記摂動錘兼上部電極（６）の両端部よりも内側に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の弾性表面波角速度センサ。
12. 前記摂動錘兼上部電極（６）は１つのみ形成されていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
13. 前記下部電極（３）は、前記圧電膜（４）の前記第２面のうち、前記摂動錘兼上部電極（６）と対向する位置にのみ形成されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
14. 前記圧電体（４）における前記第１面の表面には層間絶縁膜（５）が形成されており、該層間絶縁膜（５）を介して前記摂動錘兼上部電極（６）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
15. 前記層間絶縁膜（５）は、前記圧電膜（４）における前記第１面のうち、前記摂動錘兼上部電極（６）と対応する位置にのみ形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の弾性表面波角速度センサ。
16. 前記摂動錘兼上部電極（６）が格子状に複数個分割されており、該複数個に分割された前記摂動錘兼上部電極（６）がそれぞれ電気的に接続された構成とされていることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
17. 前記センサ部が１チップ内に複数個配置されていることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
18. 前記圧電体（４）は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＰＴ、ＬｉＮｂＯ₃、ＬＴのいずれか１つにより構成されていることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
19. 前記摂動錘兼上部電極（６）もしくは前記下部電極（３）の電極材料として、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、もしくは不純物をドーピングしたＰｏｌｙ−Ｓｉのいずれか１つが用いられていることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
20. 前記摂動錘兼上部電極（６）もしくは前記下部電極（３）の電極材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕのいずれか１つが用いられていることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１つに記載の弾性表面波角速度センサ。
    

Images