JP2008209116A - 角速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高結合圧電単結晶において製造が容易で量産性に優れた、高感度で高駆動効率を有する角速度センサおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、ベース部１０とベース部１０から延びる複数のアーム部１２とを有し、複数のアーム部１２のうち互いに駆動振動する２つのアーム部１２はそれぞれベース部１０に反対の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２より広い音叉型振動子を有する角速度センサおよびその製造方法である。
【選択図】図３

Description

本発明は角速度センサおよびその製造方法に関し、より詳細には、音叉型振動子を用いた角速度センサおよびその製造方法に関する。

角速度センサは回転時の角速度を検知するセンサであり、カメラの手振れ防止やカーナビゲーションなどのシステム、自動車やロボットの姿勢制御システムなどに利用されている。例えば特許文献１には、音叉型振動子を用いた角速度センサが開示されており、２つの音叉型振動子を発生電荷が逆符号になるように直接接合で貼り合わせ、電極構成により駆動効率を向上させることができる技術が開示されている。また、例えば特許文献２には、音叉型振動子を用いた角速度センサが開示されており、音叉型振動子の先端に質量を付加する構造により、慣性力が増加し複数軸の角速度を検出することができる技術が開示されている。
特開２００１−１６５６６４号公報 特開２００４−３０１５１０号公報

角速度センサの小型化に伴い、音叉型振動子も小型化が進んでいる。音叉型振動子が小型になると、駆動効率が低下するという課題が生じる。駆動効率が低下すると、駆動振動での振幅が小さくなり、角速度が印加された場合にコリオリ力により発生する検出振動での振幅も相対的に小さくなるため、角速度を検出し難くなる。

例えば特許文献１に係る角速度センサは、発生電荷が逆符号になるように貼り合わせる接合工程が必要となり、製造工程数が増え製造コストが上がるという課題や接合工程での接合ずれにより駆動効率が低下するという課題が生じる。

例えば特許文献２に係る角速度センサの構造は、化学エッチングが可能な水晶等の圧電単結晶には向いているが、ＬｉＴａＯ_３やＬｉＮｂＯ_３等の高結合圧電単結晶は化学エッチングによる製造が困難であるため、音叉型振動子の先端に質量を付加する構造を実現するのは難しい。また、特許文献２に係る角速度センサの音叉型振動子は具体的な結晶を開示していない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高結合圧電単結晶においても製造が容易で量産性に優れた、高感度で高駆動効率を有する角速度センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、ベース部と前記ベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子を具備し、前記複数のアーム部のうち互いに駆動振動する２つのアーム部はそれぞれ、前記ベース部に反対の先端部の幅が前記ベース部に接続する部分の幅より広いことを特徴とする角速度センサである。本発明によれば、先端部の幅を広くすることで駆動振動での慣性力が増加し、高感度で高駆動効率を有する角速度センサを提供することができる。

上記構成において、前記先端部は前記２つのアーム部が互いに相対する側面の反対の側面側に突出している構成とすることができる。この構成によれば、製造が容易で量産性に優れた、高感度で高駆動効率を有する角速度センサを得ることができる。

上記構成において、前記２つのアーム部はそれぞれ、前記先端部で段差を有することにより前記先端部の幅が前記ベース部に接続する部分の幅より広くなっている構成とすることができる。この構成によれば、先端部の幅のみ広くなるため、より慣性力が増加し、より高感度で高駆動効率の角速度センサを得ることができる。

上記構成において、前記２つのアーム部はそれぞれ、表面および裏面から少なくともいずれかの側面にかけて設けられた駆動電極を有する構成とすることができる。この構成によれば、アーム部に発生する電界密度を高くすることができるため、高駆動効率を得ることができる。

上記構成において、前記ベース部および前記複数のアーム部はＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３である構成とすることができる。この構成によれば、電気結合係数が高い材料であるため、より高感度な角速度センサを得ることができる。

上記構成において、前記複数のアーム部の長手方向を軸とする角速度を検出する構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のアーム部の厚み方向を軸とする角速度を検出する構成とすることができる。この構成によれば、角速度センサの低背化を図ることができる。

本発明は、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３である基板から短冊を切り出す工程と、前記短冊の２組の相対する２つの側面のうちいずれか一方の前記２つの側面のそれぞれから互い違いになるように前記２つの側面の間隔の１／２以上の長さの溝部を形成する工程と、前記２つの側面のうちいずれか一方の側面の前記溝部で、前記溝部の幅より狭い幅で前記短冊を分割する工程と、を有することを特徴とする音叉型振動子を具備する角速度センサの製造方法である。本発明によれば、化学エッチングが難しい高結合圧電単結晶においても製造が容易で量産性に優れた、高感度で高駆動効率を有する角速度センサの製造方法を提供することができる。

上記構成において、前記溝部を形成する工程は、一定周期で互い違いになるように前記溝部を形成する工程である構成とすることができる。この構成によれば、音叉型振動子の製造の量産性を向上させることができる。

上記構成において、前記溝部を形成する工程は、前記一方の側面の前記溝部の間隔の中心に対して、他方の側面の前記溝部が対称になるように前記溝部を形成する工程である構成とすることができる。この構成によれば、互いに駆動振動するアーム部の幅が同じ長さになるため、振幅バランスの優れた音叉型振動子を得ることができる。

上記構成において、前記短冊を分割する工程は、前記溝部の中心で前記短冊を分割する工程である構成とすることができる。この構成によれば、互いに駆動振動するアーム部の先端部の幅が同じ長さになるため、振幅バランスの優れた音叉型振動子を得ることができる。

上記構成において、前記溝部を形成する工程および前記短冊を分割する工程は、ダイシング加工あるいはレーザー加工により前記溝部を形成する工程および前記短冊を分割する工程である構成とすることができる。この構成によれば、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３等化学エッチングが難しい高結合圧電単結晶においても、アーム部の先端部の幅が広い音叉型振動子を容易に製造することができる。

本発明によれば、ダイシング加工等により互いに駆動振動するアーム部の先端部の幅が広い音叉型振動子を作製することで、高結合圧電単結晶においても、製造が容易で量産性に優れた、高感度で高駆動効率を有する角速度センサおよびその製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

実施例１は２本のアーム部からなる音叉型振動子を有する角速度センサの例であり、音叉型振動子のＹ軸、つまりアーム部１２の長手方向を軸とする角速度を検出する例である。まず、図１（ａ）および図１（ｂ）を用いて、音叉型振動子の駆動振動とＹ軸周りに角速度が印加された場合の検出振動について説明する。なお、音叉型振動子のアーム部１２の長手方向をＹ軸、幅方向をＸ軸、厚み方向をＺ軸とする。図１（ａ）を参照に、音叉型振動子の駆動電極（図示せず）に駆動信号を印加することによりアーム部１２が互いに開閉するような振動が発生する。この振動はＸ軸に平行な振動である。このような振動を駆動振動という。ここでＹ軸に対して角速度が印加されると、コリオリ力により図１（ｂ）のようにアーム部１２が互いに前後に振動する。この振動はＺ軸に平行な振動である。このような振動を検出振動という。検出電極（図示せず）がこの検出振動を検出することによりＹ軸を中心とした角速度を検出することができる。

図２（ａ）は比較例１に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図２（ｂ）は裏面の斜視図である。図３（ａ）は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図３（ｂ）は裏面の斜視図である。図４（ａ）は実施例１の変形例１に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図４（ｂ）は裏面の斜視図である。なお、音叉型振動子の表面とは音叉型振動子のＸ−Ｙ面のことをいい、音叉型振動子の裏面とは音叉型振動子の表面に反対側のＸ−Ｙ面のことをいう。また、音叉型振動子の側面とは音叉型振動子のＹ−Ｚ面のことをいう。

図２（ａ）および図２（ｂ）を参照に、比較例１に係る角速度センサの音叉型振動子は、ベース部１０から延びる２本のアーム部１２を有していて、アーム部１２は互いに駆動振動をしている。アーム部１２の表面、裏面および側面には検出電極１４が設けられている。アーム部１２の表面に設けられた検出電極１４と裏面に設けられた検出電極１４とは電極１６で接続している。アーム部１２の表面および側面に設けられた検出電極１４は引き出し電極１８に接続している。ベース部１０とアーム部１２との表面および裏面に駆動電極２０が設けられ引き出し電極１８に接続している。なお、ベース部１０およびアーム部１２はＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）からなる圧電材料により形成され、検出電極１４および駆動電極２０はＮｉ（ニッケル）とＣｒ（クロム）の合金膜を下地層にＡｕ（金）からなる金属膜により形成されている。

図３（ａ）および図３（ｂ）を参照に、実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子において、アーム部１２はベース部１０に反対の先端部２２のＸ軸方向の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２に比べて２倍の長さになっている。先端部２２はアーム部１２が互いに相対する側面の反対の側面側に突出していて、これによりアーム部１２は先端部２２で段差を有している。先端部２２のＹ軸方向の長さはアーム部１２のＹ軸方向の長さの１／２である。その他の構成については、比較例１と同じであり、図２（ａ）および図２（ｂ）に示しているので説明を省略する。

図４（ａ）および図４（ｂ）を参照に、実施例１の変形例１に係る角速度センサの音叉型振動子において、アーム部１２はベース部１０に反対の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２に比べて１．５倍の長さになっている。その他の構成については、実施例１と同じであり、図３（ａ）および図３（ｂ）に示しているので説明を省略する。

図５（ａ）から図５（ｄ）を用い、実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子の製造方法を説明する。図５（ａ）を参照に、ＬｉＮｂＯ_３からなる基板２４をダイシングソーを用いたダイシング加工により短冊２６に切り出す。

図５（ｂ）を参照に、短冊２６の短手方向で相対する２つの側面ＡおよびＢからブレード幅４００μｍのダイシングソーを用いて溝部２８をダイシング加工により形成する。このとき、側面Ａの溝部２８の長さＨ１と側面Ｂの溝部２８の長さＨ２とはそれぞれ短冊２６の短手方向の長さＬ１の２／３の長さになるように形成する。また、側面Ａの溝部２８と側面Ｂの溝部２８とは短冊２６の長手方向に対して１５０μmの一定間隔で互い違いになるように形成する。つまり、短冊２６の長手方向の一端部から一番近い側面Ａの溝部２８までの距離Ｐ１は、一番近い側面Ｂの溝部２８までの距離Ｐ２より５５０μｍ長く、側面Ａの隣接する溝部２８の間隔Ｌ２と側面Ｂの隣接する溝部２８の間隔Ｌ３とは共に１１００μｍで一定になるように溝部２８を形成する。さらに、側面Ｂの隣接する溝部２８の間に設けられる側面Ａの溝部２８は、側面Ｂの隣接する溝部２８の間隔の中心に対して対称となるように形成する。つまり側面Ｂの隣接する溝部２８の間隔の中心に側面Ａの溝部２８の中心が重なるように溝部２８を形成する。

図５（ｃ）を参照に、露光技術を用い短冊２６に駆動電極や検出電極等の電極パターン２９を形成する。なお、図５（ｃ）においては、アーム部１２となるべき部分に形成される一部の電極パターン２９のみを図示している。図５（ｄ）を参照に、側面Ｂの溝部２８の幅ｔ３の中心からブレード幅１００μｍのダイシングソーを用いて短冊２６をダイシング加工により分割する。これにより、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すような実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子が形成できる。

図６は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子に駆動電源３０を接続した場合の模式図である。なお、音叉型振動子は図３（ａ）のＡの断面をベース部１０の反対側から見たＸ−Ｚ断面図を示している。図６を参照に、アーム部１２の表面および裏面に設けられた駆動電極２０は駆動電源３０に接続している。一方のアーム部１２の表面および裏面に設けられた検出電極１４は検出２に、側面に設けられた検出電極１４は検出１に接続している。他方のアーム部１２の表面および裏面に設けられた検出電極１４は検出１に、側面に設けられた検出電極１４は検出２に接続している。駆動電極２０に交流信号である駆動信号を印加すると、アーム部１２の表面および裏面の駆動電極２０間に同じ方向を向いた電界Ｅ１が発生する。これにより、アーム部１２は駆動振動を行う。ここで、Ｙ軸を軸とする角速度が印加されると検出振動が発生する。この検出振動により、アーム部１２には検出２に接続している検出電極１４から検出１に接続している検出電極１４に向かう電界Ｅ３が発生する。検出電極１４がこの電界により生じる電荷を検出することによりＹ軸を軸とする角速度を検出することができる。なお、検出１および検出２に生じる検出信号は差動信号となる。

図７はアーム部１２の先端部２２の幅ｔ１が駆動共振周波数におよぼす効果を計算したシミュレーション結果を示している。図７の横軸はアーム部１２の先端部２２の幅ｔ１をベース部１０に接続する部分の幅ｔ２で基準化した値であり、縦軸は比較例１の駆動共振周波数で基準化した駆動共振周波数の値である。図７を参照に、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２と同じである比較例１の駆動共振周波数に比べて、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２の１．５倍である実施例１の変形例１の駆動共振周波数は小さいことが分かる。また、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２の２倍である実施例１の駆動共振周波数はさらに小さいことが分かる。これらより、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２より広くなることで駆動共振周波数が低下することが分かる。

数１は角速度センサの感度を表す式である。数１のω_{ｄｒｉｖｅ}が駆動共振周波数を表している。数１より、角速度センサの感度は駆動共振周波数に反比例することが分かる。図７に示すように、実施例１は比較例１に比べて駆動共振周波数を低下させることができる。このため、実施例１は比較例１に比べて角速度センサの感度を向上させることができる。

なお、Ａ_{ｄｒｉｖｅ}およびＡ_{ｄｅｔｅｃｔ}は駆動および検出の電気機械結合係数、Ｑ_{ｄｒｉｖｅ}およびＱ_{ｄｅｔｅｃｔ}は駆動および検出の共振先鋭度、Ｃｄ_{ｄｅｔｅｃｔ}は検出側静電容量、ＳＯ_{ｄｅｔｅｃｔ}は検出側等価スチフネス、Ｖ_{ｄｒｉｖｅ}は駆動電圧を表している。

図８は角速度センサの温度変化に対する感度変化率を計算したシミュレーション結果を示している。図８の横軸は温度、縦軸は温度が２５℃の時の感度で基準化した感度変化率を示しており、破線のグラフは比較例１を、太線の実線のグラフは実施例１を、細線の実線のグラフは実施例１の変形例１を示している。図８を参照に、温度変化に対する感度変化率は比較例１が最も大きく、実施例１の変形例１、実施例１とアーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２より広くなるにつれて感度変化率が小さくなっていることが分かる。

この理由を以下に説明する。図７に示すように、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２より広くなるにつれて駆動共振周波数は低下する。駆動共振周波数の温度変化に対する変化率は一定であるため、数１に示すように、駆動共振周波数に反比例する角速度センサの感度も温度変化に対して一定の変化率となる。かつ、駆動共振周波数は実施例１が最も小さいので、角速度センサの感度は実施例１が最も高くなる。また、角速度センサの感度は駆動共振周波数と検出共振周波数との差（以下、離調周波数）にも依存し、離調周波数が大きくなると角速度センサの感度は減少する。なお、検出共振周波数とは、図１（ｂ）の検出振動状態の時の共振周波数を表す。これらより、実施例１、実施例１の変形例１および比較例１の角速度センサの感度を同じ大きさに調整する場合、実施例１は離調周波数を大きくする事が出来る。離調周波数の変化量は温度に対して一定であるため、２５℃の離調周波数を基準にした温度に対する離調周波数変化率は、離長周波数が大きい実施例１では小さくなる。このため、実施例１、実施例１の変形例１および比較例１の角速度センサの感度を同じ大きさに調整した場合、実施例１の角速度センサの感度変化率は小さくなる。これに対して、角速度センサの感度が最も小さい比較例１は離長周波数が小さいため、２５℃の離調周波数を基準にした温度に対する離調周波数変化率は高くなり、角速度センサの感度変化率も高くなる。

図９はアーム部１２の先端部２２の幅ｔ１が感度温度変化率におよぼす効果を、温度を室温（＋２５℃）から高温（＋８５℃）および室温から低温（−４０℃）に変化させた場合で計算したシミュレーション結果を示している。図９の横軸はアーム部１２の先端部２２の幅ｔ１をベース部１０に接続する部分の幅ｔ２で基準化した値であり、縦軸は温度を室温から低温および室温から高温に変化させた時の比較例１の感度温度変化率を基準にした変化率の差である。比較例１に比べ変化率が減少する場合はマイナス、変化率が増加する場合はプラスになる事を意味する。破線のグラフは室温から低温、実線のグラフは室温から高温に変化させた時の感度温度変化率差を示している。図９を参照に、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２より広くなるにつれて、高温および低温共に感度温度変化率差がマイナスになっており、感度変化が小さくなっていることを意味する。これは、図８の結果に対する理由と同様の理由のためである。

実施例１によれば、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、互いに駆動振動する２つのアーム部１２はそれぞれ、ベース部１０に反対の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２より広くなっている。このため、アーム部１２の先端部２２の質量が重くなり、図１０（ａ）に示すような駆動振動において慣性力が増加し、駆動信号に対する駆動振動の効率、つまり駆動効率を向上させることができる。また駆動効率が向上することにより、図１０（ｂ）に示すようなＹ軸、つまりアーム部１２の長手方向を軸とする角速度が印加された場合に発生する検出振動も増加させることができる。よって、アーム部１２の長手方向を軸とする角速度の検出感度を向上することができる。

また、実施例１によれば、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、互いに駆動振動する２つのアーム部１２の先端部２２は、２つのアーム部１２が互いに相対する側面の反対の側面側に突出している例を示した。しかしながら、２つのアーム部１２が互いに相対する側面側に突出している場合やアーム部１２の表面または裏面に突出している場合でもよい。この場合でも、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部に接続する部分の幅ｔ２より広くなるため、駆動振動での慣性力を増加させることができ、駆動効率を向上させることができる。

さらに、実施例１によれば、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、互いに駆動振動する２つのアーム部１２はそれぞれ、先端部２２で段差を有している。よって、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１のみがベース部１０に接続する部分の幅ｔ２に比べて広くなっている。つまり、先端部２２の質量のみ重くなっている。したがって、駆動振動においてより慣性力が増加し、駆動効率をより向上させることができる。

さらに、実施例１によれば、図５（ａ）から図５（ｄ）に示すように、ＬｉＮｂＯ_３である基板２４から短冊２６を切り出す。ダイシング加工により短手方向で相対する側面ＡおよびＢそれぞれから、一定周期で互い違いになるように短冊２６の短手方向の長さＬ１の２／３の長さの溝部２８を形成する。側面Ｂの溝部２８の幅ｔ３の中心で、溝部２８の幅より狭い幅のダイシング加工により短冊２６の分割を行う。これにより、化学エッチングによる製造が困難な高結合圧電単結晶であるＬｉＮｂＯ_３においても、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２より広い音叉型振動子を容易にかつ量産性に優れて製造することができる。

さらに、実施例１によれば、図５（ｂ）に示すように、短冊２６の短手方向で相対する側面ＡおよびＢそれぞれから、短冊２６の短手方向の長さＬ１の２／３の長さの溝部２８を形成する例を示した。しかしながらこれに限らず、溝部２８の長さＨ１およびＨ２が短冊２６の短手方向の長さＬ１の１／２以上であればよい。つまり、溝部２８の長さＨ１とＨ２とを合わせた長さが短冊２６の短手方向の長さＬ１より長ければよい。これによれば、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１がベース部１０に接続する部分の幅ｔ２より広い音叉型振動子を得ることができる。また、短冊２６の長手方向で相対する２つの側面それぞれから、短冊２６の長手方向の長さの１／２以上の長さの溝部２８を形成してもよい。つまり、短冊２６の２組の相対する２つの側面のうちいずれか一方の２つの側面のそれぞれから、２つの側面の間隔の１／２以上の長さの溝部を形成すればよい。

さらに、実施例１によれば、図５（ｂ）に示すように、短冊２６の短手方向で相対する２つの側面ＡおよびＢそれぞれから、一定周期で互い違いになるように溝部２８を形成する例を示したが、少なくとも互い違いになるように溝部２８を形成すればアーム部１２を有する音叉型振動子を得ることができる。しかしながら、量産性に優れて短冊２６から音叉型振動子を製造するためには、相対する２つの側面ＡおよびＢそれぞれから一定周期で互い違いになるように溝部２８を形成することが好ましい。

さらに、実施例１によれば、図５（ｂ）に示すように、側面Ｂの溝部２８の間隔の中心に対して、側面Ａの溝部２８が対称になるように形成する例を示したがこれに限られるわけではない。しかしながら、互いに駆動振動する２つのアーム部１２の幅がそれぞれ同じ幅になり、駆動振動での振幅バランスがよくなるため、相対する２つの側面ＡおよびＢの一方の側面Ｂに形成された、短冊２６の分割に用いられる溝部２８の間隔の中心に対して、他方の側面Ａに形成された溝部２８が対称になるように溝部２８を形成することが好ましい。

さらに、実施例１によれば、図５（ｄ）に示すように、溝部２８の幅ｔ３の中心で短冊２６を分割する例を示したが、これに限らず、互いに駆動振動する２つのアーム部１２のそれぞれの先端部２２の幅ｔ１が同じ幅になるように短冊２６を分割する場合でもよい。この場合でも、互いに駆動振動する２つのアーム部１２の駆動振動での振幅バランスの優れた音叉型振動子を得ることができる。しかしながら、短冊２６から振幅バランスのよい音叉型振動子を量産性を損なわずに製造するには、溝部２８の幅ｔ３の中心で短冊２６を分割する場合が好ましい。

さらに、実施例１によれば、図５（ｂ）および図５（ｄ）に示すように、溝部２８の形成は幅４００μｍのダイシングソーを用い、短冊２６の分割は幅１００μｍのダンシングソーを用いた例を示したが、これに限らず、溝部２８の形成に用いるダイシングソーの幅より短冊２６の分割に用いるダイシングソーの幅が細ければよい。これによれば、溝部２８の幅より狭い幅で短冊２６を分割することができるため、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１が広い音叉型振動子を得ることができる。また、ダイシングソーを用いたダンシング加工の変わりにワイヤーソーを用いたダイシング加工あるいはレーザー加工等で行ってもよい。

さらに、実施例１によれば、図５（ｂ）に示すように、短冊２６の短手方向で相対する２つの側面ＡおよびＢそれぞれから形成した溝部２８の幅はそれぞれ同じ幅である場合を例に示したが、これに限らず、側面Ａの溝部２８の幅より側面Ｂの溝部２８の幅ｔ３（図５（ｄ）参照）が広い場合でもよい。この場合でも、アーム部１２の先端部２２の幅ｔ１が広い音叉型振動子を得ることができる。

さらに、実施例１によれば、ベース部１０およびアーム部１２はＬｉＮｂＯ_３である場合を例に示したが、これに限らず、ＬｉＴａＯ_３を用いた場合でもよい。特に、電気機械結合係数が高い材料であれば、数１に示すように角速度センサの高感度化が図れるため、高結合圧電単結晶を用いることが好ましい。

実施例２は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子の駆動電極の配置を変えた例である。図１１（ａ）は実施例２に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図１１（ｂ）は裏面の斜視図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）を参照に、互いに駆動振動する２つのアーム部１２のそれぞれの表面および裏面からアーム部１２が互いに相対する側面にかけて駆動電極２０が設けられている。その他の構成については、実施例１と同じであり、図３（ａ）および図３（ｂ）に示しているので説明を省略する。

図１２は実施例２に係る角速度センサの音叉型振動子に駆動電源３０を接続した場合の模式図であり、音叉型振動子は図１１（ａ）のＡの断面をベース部１０の反対側から見たＸ−Ｚ断面図を示している。図１２を参照に、互いに駆動振動する２つのアーム部１２のそれぞれの表面および裏面からアーム部１２が互いに相対する側面にかけて駆動電極２０が設けられている。このため、駆動電極２０に交流信号である駆動信号を印加すると、アーム部１２の表面および裏面の駆動電極２０間に発生する電界Ｅ１にアーム部１２の側面から発生する電界Ｅ２が加わる。その他の構成については、実施例１と同じであり、図６に示しているので説明を省略する。

実施例２によれば、図１２に示すように、アーム部１２の表面および裏面の駆動電極２０間に発生する電界Ｅ１にアーム部１２の側面から発生する電界Ｅ２が加わるため、アーム部１２の駆動電極２０間に発生する電界密度を実施例１より高くすることができる。このため、実施例２は実施例１に比べて、駆動効率を向上させることができる。

また、実施例２によれば、互いに駆動振動する２つのアーム部１２のそれぞれの表面および裏面からアーム部１２が相対する側面にかけて駆動電極２０が設けられている例を示したが、互いに駆動振動する２つのアーム部１２のそれぞれの表面および裏面から少なくともいずれかの側面にかけて駆動電極２０が設けられていればよい。これによれば、アーム部１２の駆動電極２０間に発生する電界密度を高くすることができるため、駆動効率を向上させることができる。また、互いに駆動振動する２つのアーム部１２の少なくともいずれか一方のアーム部１２の表面および裏面から少なくともいずれかの側面にかけて駆動電極２０が設けられている場合でもよい。しかしながら、優れた振幅バランスを得るためには、互いに駆動振動する２つのアーム部１２のそれぞれの表面および裏面から少なくともいずれかの側面にかけて駆動電極２０が設けられている場合が好ましい。

実施例３は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子のＺ軸、つまりアーム部１２の厚み方向を軸とする角速度を検出する例である。図１３（ａ）は駆動振動を、図１３（ｂ）はＺ軸を軸とする角速度が印加された場合の検出振動を示している。

図１３（ａ）を参照に、音叉型振動子の駆動電極（図示せず）に駆動信号を印加することによりアーム部１２が互いに開閉するような、Ｘ軸に平行な駆動振動が発生する。図１３（ｂ）を参照に、Ｚ軸を軸とする角速度が印加されると、アーム部１２はＸ軸に平行で互いに同じ向きに振動する検出振動が発生する。検出電極（図示せず）がこの検出振動を検出することによりＺ軸を軸とした角速度を検出することができる。

図１４は実施例３に係る角速度センサの音叉型振動子に駆動電源３０を接続した場合の模式図である。図１４を参照に、アーム部１２の表面および裏面に設けられた駆動電極２０は駆動電源３０に接続している。一方のアーム部１２の表面に設けられた検出電極１４は検出２に、裏面に設けられた検出電極１４は検出１に接続している。他方のアーム部１２の表面に設けられた検出電極１４は検出１に、裏面に設けられた検出電極１４は検出２に接続している。駆動電極２０に駆動信号を印加すると、アーム部１２の表面および裏面の駆動電極２０間に電界Ｅ１が発生する。これによりアーム部１２は駆動振動を行う。ここで、Ｚ軸を軸とする角速度が印加されると検出振動が発生する。この検出振動により、アーム部１２には検出２に接続している検出電極１４から検出１に接続している検出電極１４に向かう電界Ｅ３が発生する。検出電極１４がこの電界により生じる電荷を検出することにより、Ｚ軸を軸とする角速度を検出することができる。なお、検出１および検出２に生じる検出信号は差動信号となる。

実施例３によれば、実施例１と同様にアーム部１２の先端部２２の幅ｔ１が広くなり質量が増加しているため慣性力が増加し、Ｚ軸を軸とする、つまりアーム部１２の厚み方向を軸とする角速度の検出感度を向上することができる。また、Ｚ軸を軸とした角速度を検出することができるため、音叉型振動子を横にしてパッケージした角速度センサが可能となる。したがって、実施例１のようにＹ軸を軸とする角速度を検出する角速度センサに比べて、実施例３は角速度センサの低背化を図ることができる。

実施例３においても、図１５に示すように、実施例２と同じく駆動電極２０をアーム部１２の表面および裏面からアーム部１２が互いに相対する側面にかけて設けることにより、アーム部１２に発生する駆動電極２０間の電界密度を高くすることができる。このため、駆動効率を向上させることができる。また、検出電極１４をアーム部１２の表面および裏面からアーム部１２が互いに相対する側面の反対の側面にかけて設けることにより、検出振動により検出電極１４間に発生する電界Ｅ３の電界密度を高くすることができる。このため、Ｚ軸を軸とする角速度の検出をより改善することができる。

実施例４は４本のアーム部１２からなる音叉型振動子を有する角速度センサの例であり、音叉型振動子のＹ軸、つまりアーム部１２の長手方向を軸とする角速度を検出する例である。図１６（ａ）は実施例４に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図１６（ｂ）は裏面の斜視図である。

図１６（ａ）および図１６（ｂ）を参照に、４本のアーム部１２のうち外側２本のアーム部１２およびベース部１０は、実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子のアーム部１２と同じであり、図３（ａ）および図３（ｂ）に示しているので説明を省略する。

図１７（ａ）から図１７（ｃ）を用いて実施例４に係る角速度センサの音叉型振動子の製造方法を説明する。ＬｉＮｂＯ_３からなる基板２４から短冊２６を切り出す工程は実施例１と同じであり図５（ａ）に示しているので説明を省略する。

図１７（ａ）を参照に、ブレード幅４００μｍのダイシングソーを用いて、短冊２６の短手方向で相対する２つの側面ＡおよびＢのうち一方の側面Ｂの隣接する溝部２８の間に、他方の側面Ａの溝部２８が３つ形成されるように、側面ＡおよびＢそれぞれから溝部２８を形成する。側面Ｂの隣接する溝部２８の間隔の中心に対して、側面Ａの３つの溝部２８が対称になるように形成する。また、側面Ａの溝部２８の長さＨ１および側面Ｂの溝部２８の長さＨ２は短冊２６の短手方向の長さＬ１の２／３の長さになるように形成する。さらに、短冊２６の長手方向の一端部から一番近い側面Ａの溝部２８までの距離Ｐ１は一番近い側面Ｂの溝部２８までの距離Ｐ２より５５０μｍ長く、側面Ａの隣接する溝部２８の間隔Ｌ２ａは５５０μｍ、Ｌ２ｂは１１００μｍ、側面Ｂの隣接する溝部２８の間隔Ｌ３は２２００μｍになるよう溝部２８を形成する。

図１７（ｂ）を参照に、露光技術を用い短冊２６に駆動電極や検出電極等の電極パターン２９を形成する。なお、図１７（ｂ）においては、アーム部１２となるべき箇所に形成される一部の電極パターン２９のみを図示している。図１７（ｃ）を参照に、側面Ｂに形成された溝部２８の幅ｔ３の中心でブレード幅１００μｍのダイシングソーを用いて短冊２６をダイシング加工により分割する。これにより、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すような、実施例４に係る角速度センサの音叉型振動子が形成できる。

図１８（ａ）は駆動振動を、図１８（ｂ）はＹ軸、つまりアーム部１２の長手方向を軸とする角速度が印加された場合の検出振動を示している。図１８（ａ）を参照に、外側２本のアーム部１２の駆動電極（図示せず）に駆動信号を印加することにより、外側２本のアーム部１２はＸ軸に平行な駆動振動を行う。また、内側２本のアーム部１２は外側２本のアーム部１２の駆動振動のカウンターバランスを取るようにＸ軸に平行な駆動振動を行う。つまり、外側２本のアーム部１２の駆動振動と内側２本のアーム部１２の駆動振動とは互いに逆位相で駆動振動を行う。図１８（ｂ）を参照に、Ｙ軸を軸とする角速度が印加されると、外側２本のアーム部１２はＺ軸に平行で互いに前後に振動する検出振動が発生する。同様に内側２本のアーム部１２もＺ軸に平行で互いに前後に振動する検出振動が発生する。外側２本のアーム部１２の検出振動と内側２本のアーム部１２の検出振動は逆位相で検出振動を行う。検出電極（図示せず）がこの検出振動を検出することによりＹ軸を軸とした角速度を検出することができる。

実施例４によれば、外側２本のアーム部１２と内側２本のアーム部１２とがカウンターバランスを取るように互いに逆位相で駆動振動を行う。このため、図１９に示すように、外側２本のアーム部１２に生じるトルクと内側２本のアーム部１２に生じるトルクとが互いに反対向きに作用し、互いに打ち消し合う。これにより、実施例１のように２本のアーム部からなる音叉型振動子に比べて、ベース部１０のねじれ変位およびベース部１０に接続していて音叉型振動子を支持する支持部３２のねじれ変位を抑制することができる。さらに、ベース部１０のねじれ変位を抑制出来るので支持領域が広く確保できる。

実施例４によれば、実施例２と同じく、駆動電極２０を互いに駆動振動するアーム部１２のそれぞれの表面および裏面からアーム部１２が互いに相対する側面にかけて設けることにより、アーム部１２に発生する駆動電極２０間の電界密度を高くすることができ、駆動効率を向上させることができる。また、実施例４は４本のアーム部１２が駆動振動を行っているため、図２０に示すような、外側２本の互いに駆動振動するアーム部１２のそれぞれの表面および裏面からアーム部１２が互いに相対する側面および互いに相対する側面の反対の側面の両方にかけて駆動電極２０を設け、内側２本の互いに駆動振動するアーム部１２のそれぞれの表面、裏面および側面に検出電極１４を設けることができる。この場合は、アーム部１２に発生する駆動電極２０間の電界密度をより高くすることができるため、駆動効率をより向上させることができる。なお、図２０においては、アーム部１２に設けられた駆動電極２０および検出電極１４のみ図示している。

また、実施例４によれば、外側２本のアーム部１２に駆動電極２０が設けられている例を示したが、内側２本のアーム部１２に駆動電極２０が設けられている場合でも同様の効果を得ることができる。

実施例５は実施例４に係る角速度センサの音叉型振動子のＺ軸、つまりアーム部１２の厚み方向を軸とする角速度を検出する例である。図２１（ａ）は駆動振動を、図２１（ｂ）はＺ軸を軸とする角速度が印加された場合の検出振動を示している。図２１（ａ）に示す駆動振動については実施例４と同じであるため説明を省略する。図２１（ｂ）を参照に、Ｚ軸を軸とする角速度が印加されると、外側２本のアーム部１２はＸ軸に平行で互いに同じ方向に振動する検出振動が発生する。同様に内側２本のアーム部１２もＸ軸に平行で互いに同じ方向に振動する検出振動が発生する。外側２本のアーム部１２の検出振動と内側２本のアーム部１２の検出振動とは互いに逆位相で検出振動を行う。検出電極（図示せず）がこの検出振動を検出することによりＺ軸を軸とした角速度を検出することができる。

実施例１から５によれば、音叉型振動子のアーム部１２の本数が２本の場合や４本の場合を例に示したが、アーム部１２の本数はこれに限られるわけではなく、その他の複数の本数の場合でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１（ａ）は２本のアーム部１２による駆動振動を、図１（ｂ）はＹ軸を軸とした角速度が印加された場合の検出振動を説明するための図である。 図２（ａ）は比較例１に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図２（ｂ）は裏面の斜視図である。 図３（ａ）は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図３（ｂ）は裏面の斜視図である。 図４（ａ）は実施例１の変形例１に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図４（ｂ）は裏面の斜視図である。 図５（ａ）から図５（ｄ）は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子の製造方法を示す斜視図である。 図６は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子を駆動電源に接続した場合の模式図である。 図７はアーム部１２の先端部２２の幅ｔ１の駆動共振周波数におよぼす効果をシミュレーションした結果である。 図８は温度変化による感度変化率をシミュレーションした結果である。 図９はアーム部１２の先端部２２の幅ｔ１が感度温度変化率におよぼす効果を、高温および低温でシミュレーションした結果である。 図１０（ａ）は実施例１に係る角速度センサの音叉型振動子の駆動振動を、図１０（ｂ）はＹ軸を軸とした角速度が印加された場合の検出振動を示した図である。 図１１（ａ）は実施例２に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図１１（ｂ）は裏面の斜視図である。 図１２は実施例２に係る角速度センサの音叉型振動子を駆動電源に接続した場合の模式図である。 図１３（ａ）は２本のアーム部１２による駆動振動を、図１３（ｂ）はＺ軸を軸とした角速度が印加された場合の検出振動を示した図である。 図１４は実施例３に係る角速度センサの音叉型振動子を駆動電源に接続した場合の模式図である。 図１５は実施例３に係る角速度センサの音叉型振動子の電極配置を変えた場合の模式図である。 図１６（ａ）は実施例４に係る角速度センサの音叉型振動子の表面の斜視図であり、図１６（ｂ）は裏面の斜視図である。 図１７（ａ）から図１７（ｃ）は実施例４に係る角速度センサの音叉型振動子の製造方法を示す上視図である。 図１８（ａ）は４本のアーム部１２による駆動振動を、図１８（ｂ）はＹ軸を軸とした角速度が印加された場合の４本のアーム部による検出振動を示した図である。 図１９は４本のアーム部による駆動振動の効果を示した図である。 図２０（ａ）は実施例４に係る角速度センサの音叉型振動子の電極配置を変えた場合の表面の斜視図、図２０（ｂ）は裏面の斜視図である。 図２１（ａ）は４本のアーム部による駆動振動を、図２１（ｂ）はＺ軸を軸とした角速度が印加された場合の４本のアーム部による検出振動を示した図である

符号の説明

１０ ベース部
１２ アーム部
１４ 検出電極
１６ 電極
１８ 引き出し電極
２０ 駆動電極
２２ 先端部
２４ 基板
２６ 短冊
２８ 溝部
２９ 電極パターン
３０ 駆動電源
３２ 支持部

Claims (12)

1. ベース部と前記ベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子を具備し、
   前記複数のアーム部のうち互いに駆動振動する２つのアーム部はそれぞれ、前記ベース部に反対の先端部の幅が前記ベース部に接続する部分の幅より広いことを特徴とする角速度センサ。
2. 前記先端部は前記２つのアーム部が互いに相対する側面の反対の側面側に突出していることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記２つのアーム部はそれぞれ、前記先端部で段差を有することにより前記先端部の幅が前記ベース部に接続する部分の幅より広くなっていることを特徴とする請求項１または２記載の角速度センサ。
4. 前記２つのアーム部はそれぞれ、表面および裏面から少なくともいずれかの側面にかけて設けられた駆動電極を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の角速度センサ。
5. 前記ベース部および前記複数のアーム部はＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の角速度センサ。
6. 前記複数のアーム部の長手方向を軸とする角速度を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の角速度センサ。
7. 前記複数のアーム部の厚み方向を軸とする角速度を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の角速度センサ。
8. ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３である基板から短冊を切り出す工程と、
   前記短冊の２組の相対する２つの側面のうちいずれか一方の前記２つの側面のそれぞれから互い違いになるように前記２つの側面の間隔の１／２以上の長さの溝部を形成する工程と、
   前記２つの側面のうちいずれか一方の側面の前記溝部で、前記溝部の幅より狭い幅で前記短冊を分割する工程と、を有することを特徴とする音叉型振動子を具備する角速度センサの製造方法。
9. 前記溝部を形成する工程は、一定周期で互い違いになるように前記溝部を形成する工程であることを特徴とする請求項８記載の角速度センサの製造方法。
10. 前記溝部を形成する工程は、前記一方の側面の前記溝部の間隔の中心に対して、他方の側面の前記溝部が対称になるように前記溝部を形成する工程であることを特徴とする請求項８または９のいずれか一項記載の角速度センサの製造方法。
11. 前記短冊を分割する工程は、前記溝部の中心で前記短冊を分割する工程であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項記載の角速度センサの製造方法。
12. 前記溝部を形成する工程および前記短冊を分割する工程は、ダイシング加工あるいはレーザー加工により前記溝部を形成する工程および前記短冊を分割する工程であることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項記載の角速度センサの製造方法。

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