JP2010181179A

JP2010181179A - Angular velocity detection device

Info

Publication number: JP2010181179A
Application number: JP2009022696A
Authority: JP
Inventors: Masaki Takaoka; 将樹高岡; Takakazu Fujimori; 敬和藤森; Daisuke Kaminishi; 大祐紙西
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angular velocity detection device capable of reducing an effect onto a detected signal of drive noise which is generated while an angular velocity is not applied. <P>SOLUTION: The detection device includes: a pair of beam-type vibrating arms 11 and 12 extending in the same direction and having the same width and thickness; a beam-type detection arm 20 whose thickness is the same as but width is different from the vibrating arms 11 and 12, and which is arranged amidst the pair of vibrating arms 11 and 12 and extends in the same direction as the vibrating arms 11 and 12; and a detector circuit 600 which detects a deformation in the thickness direction of the detection arm 20, and detects the angular velocity of rotation on the extending direction of the vibrating arms 11 and 12 applied to the vibrating arms 11 and 12 which vibrate in their cross directions. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、角速度検出装置に係り、特にコリオリ力を利用して角速度を検出する角速度検出装置に関する。 The present invention relates to an angular velocity detection device, and more particularly to an angular velocity detection device that detects an angular velocity using Coriolis force.

角速度検出装置として、圧電材料若しくは非圧電材料と圧電材料の積層体を使用する音片型、音叉型等の様々な形状の振動式角速度検出装置が提案され実用化されている。特に、音叉型はＱ値が高く、安定した振動と高い感度が得られる。 As angular velocity detecting devices, various types of vibrating angular velocity detecting devices such as a sound piece type and a tuning fork type using a piezoelectric material or a laminate of a non-piezoelectric material and a piezoelectric material have been proposed and put into practical use. In particular, the tuning fork type has a high Q value, and stable vibration and high sensitivity can be obtained.

例えば、アーム（振動子）を振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極と、アームに加えられた角速度に応じた検出信号を出力する検出電極とが、同一のアーム上に形成された音叉型振動式角速度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。 For example, a tuning fork in which a drive electrode to which a drive voltage for vibrating an arm (vibrator) is applied and a detection electrode that outputs a detection signal corresponding to an angular velocity applied to the arm are formed on the same arm. A type vibration type angular velocity detection device has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

上記のような振動式角速度検出装置では、アームの振動方向が水平方向の場合に検出方向は垂直方向であり、アームに角速度が加えられない状態では、検出電極から出力される検出信号はゼロである。そして、アームが水平方向に振動している状態でアームに角速度が加えられると、アームに垂直方向の応力が加わり、アームが変形する。アームの変形により検出電極に電荷が発生し、発生した電荷に応じた検出信号に基づいて角速度が検出される。 In the vibration type angular velocity detection device as described above, when the vibration direction of the arm is horizontal, the detection direction is the vertical direction, and when the angular velocity is not applied to the arm, the detection signal output from the detection electrode is zero. is there. When an angular velocity is applied to the arm while the arm is vibrating in the horizontal direction, a vertical stress is applied to the arm and the arm is deformed. Due to the deformation of the arm, a charge is generated in the detection electrode, and the angular velocity is detected based on a detection signal corresponding to the generated charge.

特開２００２−１２２４３２号公報JP 2002-122432 A

しかしながら、アームに角速度が加えられていない状態においても、実際には僅かながら垂直方向にも角速度検出装置のアームが振動し、検出電極に電荷が発生する。このような、アームに角速度が加えられていない状態で発生する電荷は、アームに加えられた角速度を検出する検出信号のノイズになる。この角速度が加えられていない状態で発生するノイズ（以下において、「駆動ノイズ」という。）が大きいと角速度検出装置のＳ／Ｎ比が劣化し、感度が低下する。 However, even when no angular velocity is applied to the arm, the arm of the angular velocity detection device actually vibrates slightly in the vertical direction, and charges are generated in the detection electrode. Such a charge generated in a state where the angular velocity is not applied to the arm becomes noise of a detection signal for detecting the angular velocity applied to the arm. If noise (hereinafter referred to as “driving noise”) generated in a state where the angular velocity is not applied is large, the S / N ratio of the angular velocity detecting device is deteriorated and sensitivity is lowered.

上記問題点を鑑み、本発明は、角速度が加えられていない状態で発生する駆動ノイズによる検出信号への影響を低減できる角速度検出装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an angular velocity detection device that can reduce the influence on a detection signal due to drive noise that occurs when no angular velocity is applied.

本発明の一態様によれば、（イ）同一方向に延伸し、幅及び厚さが同一である一対の梁型の振動アームと、（ロ）振動アームと厚さが同一で且つ幅が異なり、一対の振動アーム間に配置されて振動アームと同一方向に延伸する梁型の検出アームと、（ハ）検出アームの厚さ方向の変形を検知して、幅方向に振動する振動アームに加えられた振動アームの延伸方向を回転軸とする回転の角速度を検出する検出回路とを備える角速度検出装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, (a) a pair of beam-type vibrating arms extending in the same direction and having the same width and thickness, and (b) a vibrating arm having the same thickness and a different width. A beam-type detection arm disposed between a pair of vibration arms and extending in the same direction as the vibration arm; and (c) in addition to a vibration arm that detects deformation in the thickness direction of the detection arm and vibrates in the width direction. An angular velocity detection device is provided that includes a detection circuit that detects an angular velocity of rotation with the extending direction of the vibration arm as a rotation axis.

本発明によれば、角速度が加えられていない状態で発生する駆動ノイズによる検出信号への影響を低減できる角速度検出装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the angular velocity detection apparatus which can reduce the influence on the detection signal by the drive noise which generate | occur | produces in the state where the angular velocity is not added can be provided.

本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の構成を示す模式的な上面図である。It is a typical top view which shows the structure of the angular velocity detection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。It is sectional drawing along the II-II direction of FIG. 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った断面図である。It is sectional drawing along the III-III direction of FIG. 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。It is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the angular velocity detection apparatus which concerns on embodiment of this invention (the 1). 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。It is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the angular velocity detection apparatus which concerns on embodiment of this invention (the 2). 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。It is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the angular velocity detection apparatus which concerns on embodiment of this invention (the 3). 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。It is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the angular velocity detection apparatus which concerns on embodiment of this invention (the 4). 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。It is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the angular velocity detection apparatus which concerns on embodiment of this invention (the 5).

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１は、図１に示すように、同一方向に延伸し、幅及び厚さが同一である一対の梁型の振動アーム１１、１２と、振動アーム１１、１２と厚さが同一で且つ幅が異なり、一対の振動アーム１１、１２間に配置されて振動アーム１１、１２と同一方向に延伸する梁型の検出アーム２０と、検出アーム２０の厚さ方向の変形を検知して、幅方向に振動する振動アーム１１、１２に加えられた振動アーム１１、１２の延伸方向を回転軸とする回転の角速度を検出する検出回路６００とを備える。 As shown in FIG. 1, the angular velocity detection device 1 according to the embodiment of the present invention includes a pair of beam-type vibrating arms 11 and 12 extending in the same direction and having the same width and thickness, and the vibrating arm 11. , 12 are the same thickness and different width, are arranged between the pair of vibrating arms 11 and 12 and extend in the same direction as the vibrating arms 11 and 12, and the thickness of the detecting arm 20 And a detection circuit 600 that detects the angular velocity of rotation with the extending direction of the vibrating arms 11 and 12 applied to the vibrating arms 11 and 12 that vibrate in the width direction as a rotation axis.

振動アーム１１、１２それぞれの一方の端部は固定端であり、この固定端は支持部３０に固定されている。振動アーム１１、１２の他方の端部は自由端である。検出アーム２０の一方の端部は、振動アーム１１、１２の固定端の間で支持部３０に固定された固定端であり、他方の端部は自由端である。つまり、振動アーム１１、１２と検出アーム２０は、片持ち梁構造の３脚音叉型の振動子１０を構成する。 One end of each of the vibrating arms 11 and 12 is a fixed end, and this fixed end is fixed to the support portion 30. The other ends of the vibrating arms 11 and 12 are free ends. One end portion of the detection arm 20 is a fixed end fixed to the support portion 30 between the fixed ends of the vibration arms 11 and 12, and the other end portion is a free end. That is, the vibration arms 11 and 12 and the detection arm 20 constitute a three-leg tuning fork type vibrator 10 having a cantilever structure.

振動アーム１１上に駆動電極１１０が配置され、振動アーム１２上に駆動電極１２０が配置されている。駆動電極１１０、１２０は、振動アーム１１、１２上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２をそれぞれ有する。また、検出アーム２０上に検出電極２００が配置されている。駆動電極１１０、駆動電極１２０、検出電極２００は、固定端に近い領域に配置されることが好ましい。 A drive electrode 110 is disposed on the vibration arm 11, and a drive electrode 120 is disposed on the vibration arm 12. The drive electrodes 110 and 120 include a first application electrode 101 and a second application electrode 102 that are disposed on the vibrating arms 11 and 12 so as to face each other. A detection electrode 200 is disposed on the detection arm 20. The drive electrode 110, the drive electrode 120, and the detection electrode 200 are preferably arranged in a region near the fixed end.

図１に示すように、振動アーム１１の検出アーム２０と対面する面側（以下において「内側」という）に第２印加電極１０２が配置され、内側に対向する面側（以下において「外側」という）に第１印加電極１０１が配置されている。また、振動アーム１２の検出アーム２０と対面する面側（内側）に第１印加電極１０１が配置され、内側に対向する面側（外側）に第２印加電極１０２が配置されている。 As shown in FIG. 1, the second application electrode 102 is disposed on the surface side (hereinafter referred to as “inside”) facing the detection arm 20 of the vibrating arm 11, and the surface side facing the inside (hereinafter referred to as “outside”). ) Is arranged with the first application electrode 101. Further, the first application electrode 101 is disposed on the surface side (inside) facing the detection arm 20 of the vibration arm 12, and the second application electrode 102 is disposed on the surface side (outside) facing the inside.

駆動電極１１０、１２０は、検出回路６００に含まれる駆動回路６１０に電気的に接続される。検出電極２００は、検出回路６００に含まれる検知回路６２０に電気的に接続される。 The drive electrodes 110 and 120 are electrically connected to a drive circuit 610 included in the detection circuit 600. The detection electrode 200 is electrically connected to a detection circuit 620 included in the detection circuit 600.

図２に、図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った検出アーム２０の断面構造を示す。また、図３に、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った振動アーム１１、１２及び検出アーム２０の断面構造を示す。図２〜図３に示すように、積層構造の検出電極２００が検出アーム２０上に配置されている。また、振動アーム１１、１２の主面上で側面に近い領域に、積層構造の第１印加電極１０１と第２印加電極１０２が対向して配置されている。第１印加電極１０１、第２印加電極１０２及び検出電極２００は、下部電極３０１、圧電体膜３０２、上部電極３０３が積層された同一構造の積層体である。 FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the detection arm 20 along the II-II direction of FIG. FIG. 3 shows a cross-sectional structure of the vibrating arms 11 and 12 and the detection arm 20 along the III-III direction of FIG. As shown in FIGS. 2 to 3, the detection electrode 200 having a laminated structure is disposed on the detection arm 20. Further, the first application electrode 101 and the second application electrode 102 having a laminated structure are disposed so as to face each other in a region close to the side surface on the main surface of the vibration arms 11 and 12. The first application electrode 101, the second application electrode 102, and the detection electrode 200 are laminated bodies having the same structure in which a lower electrode 301, a piezoelectric film 302, and an upper electrode 303 are laminated.

図３に示すように、振動アーム１１、１２の厚さと検出アーム２０の厚さはｄで同一である。一方、振動アーム１１、１２の幅ｗ１と検出アーム２０の幅ｗ２は異なる。図３に示した例では、ｗ１＜ｗ２である。例えば、厚さｄは１５０μｍであり、幅ｗ１は１００μｍ、幅ｗ２は１５０μｍである。また、振動アーム１１、１２と検出アーム２０との間隔は、１５０μｍ程度である。 As shown in FIG. 3, the thickness of the vibrating arms 11 and 12 and the thickness of the detection arm 20 are the same as d. On the other hand, the width w1 of the vibration arms 11 and 12 and the width w2 of the detection arm 20 are different. In the example shown in FIG. 3, w1 <w2. For example, the thickness d is 150 μm, the width w1 is 100 μm, and the width w2 is 150 μm. The distance between the vibration arms 11 and 12 and the detection arm 20 is about 150 μm.

支持部３０を含む基板の一部を選択的にエッチングすることによって、振動アーム１１、１２、検出アーム２０が形成される。この基板には、シリコン（Ｓｉ）基板等が採用可能である。下部電極３０１には、膜厚２００ｎｍ程度の白金（Ｐｔ）／チタン（Ｔｉ）の積層膜等が採用可能であり、上部電極３０３には、膜厚２００ｎｍ程度の酸化イリジウム（ＩｒＯ₂）／イリジウム（Ｉｒ）の積層膜や金（Ａｕ）膜等が採用可能である。下部電極３０１や上部電極３０３は、スパッタ法等により形成される。圧電体膜３０２には、膜厚１〜３μｍ程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜やランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜等が採用可能である。ＰＺＴ膜やＰＬＺＴ膜はゾルゲル法等により形成される。 By selectively etching a part of the substrate including the support portion 30, the vibration arms 11 and 12 and the detection arm 20 are formed. As this substrate, a silicon (Si) substrate or the like can be adopted. The lower electrode 301 can be a platinum (Pt) / titanium (Ti) laminated film having a thickness of about 200 nm, and the upper electrode 303 can have an iridium oxide (IrO ₂ ) / iridium (thickness of about 200 nm). A laminated film of Ir), a gold (Au) film, or the like can be used. The lower electrode 301 and the upper electrode 303 are formed by sputtering or the like. As the piezoelectric film 302, a lead zirconate titanate (PZT) film having a thickness of about 1 to 3 μm, a lanthanum-doped lead zirconate titanate (PLZT) film, or the like can be used. The PZT film and the PLZT film are formed by a sol-gel method or the like.

図２〜図３に示すように、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検出電極２００は、振動アーム１１、１２及び検出アーム２０上に形成された酸化シリコン膜４１上に配置され、周囲を保護膜４５で覆われている。酸化シリコン膜４１は、例えばシリコン基板の表面を熱酸化して形成される。保護膜４５は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）膜と酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の積層膜である。 As shown in FIGS. 2 to 3, the first application electrode 101, the second application electrode 102, and the detection electrode 200 are disposed on the silicon oxide film 41 formed on the vibration arms 11, 12 and the detection arm 20. The periphery is covered with a protective film 45. The silicon oxide film 41 is formed, for example, by thermally oxidizing the surface of a silicon substrate. The protective film 45 is, for example, a laminated film of an alumina (Al ₂ O ₃ ) film and a silicon oxide (SiO ₂ ) film.

振動アーム１１、１２は、振動子１０の外部から振動アーム１１、１２に入力される駆動信号により、振動アーム１１、１２の幅方向（以下において「駆動振動方向」という。）に振動する。駆動振動方向は、図１において紙面に平行で、かつ振動アーム１１、１２の延伸する長軸方向に対して垂直な方向である。図１において、駆動振動方向をｘ軸方向、振動アーム１１、１２の長軸方向をｙ軸方向とする。つまり、駆動振動方向を含む駆動振動面はｘ−ｙ平面である。また、駆動振動面の法線方向をｚ軸方向とする。振動アーム１１、１２の駆動振動方向の振動を、以下において「駆動振動」という。 The vibration arms 11 and 12 vibrate in the width direction of the vibration arms 11 and 12 (hereinafter referred to as “drive vibration direction”) in accordance with a drive signal input to the vibration arms 11 and 12 from the outside of the vibrator 10. The drive vibration direction is a direction parallel to the paper surface in FIG. 1 and perpendicular to the major axis direction in which the vibration arms 11 and 12 extend. In FIG. 1, the driving vibration direction is the x-axis direction, and the major axis direction of the vibration arms 11 and 12 is the y-axis direction. That is, the drive vibration surface including the drive vibration direction is an xy plane. The normal direction of the driving vibration surface is the z-axis direction. The vibration in the drive vibration direction of the vibration arms 11 and 12 is hereinafter referred to as “drive vibration”.

第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に駆動信号として駆動電圧が印加されると、逆圧電効果により第１印加電極１０１と第２印加電極１０２の圧電体膜３０２の形状が変形する。例えば、圧電体膜３０２はプラス電圧が印加されると縮み、マイナス電圧が印加されると伸びる。このため、振動アーム１１、１２の側面近くに配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２に極性の異なる電圧を印加することにより、振動アーム１１、１２はｘ軸方向に屈曲する。 When a drive voltage is applied as a drive signal between the first application electrode 101 and the second application electrode 102, the shape of the piezoelectric film 302 of the first application electrode 101 and the second application electrode 102 is deformed by the inverse piezoelectric effect. For example, the piezoelectric film 302 contracts when a positive voltage is applied and expands when a negative voltage is applied. For this reason, by applying voltages having different polarities to the first application electrode 101 and the second application electrode 102 arranged near the side surfaces of the vibration arms 11 and 12, the vibration arms 11 and 12 are bent in the x-axis direction.

一方、検出アーム２０に形状の変化が生じると、検出電極２００の圧電体膜３０２の形状が変形し、圧電効果により検出電極２００から電気信号が検出信号として出力される。検出信号は、圧電効果により検出電極２００の圧電体膜３０２に生じる分極を検出することにより検出電極２００が出力する電流信号若しくは電圧信号である。 On the other hand, when the shape of the detection arm 20 changes, the shape of the piezoelectric film 302 of the detection electrode 200 is deformed, and an electrical signal is output from the detection electrode 200 as a detection signal due to the piezoelectric effect. The detection signal is a current signal or a voltage signal output from the detection electrode 200 by detecting polarization generated in the piezoelectric film 302 of the detection electrode 200 due to the piezoelectric effect.

以下に、角速度検出装置１の動作を説明する。 Below, operation | movement of the angular velocity detection apparatus 1 is demonstrated.

図１に示した検出回路６００の駆動回路６１０から、駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄが振動アーム１１の駆動電極１１０と振動アーム１２の駆動電極１２０に出力される。駆動振動周波数ｆｄは、振動子１０の共振周波数に設定される。第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に駆動電圧Ｖｄが印加されると、既に述べたように、第１印加電極１０１及び第２印加電極１０２の圧電体膜３０２が変形し、振動アーム１１、１２は屈曲する。つまり、検出回路６００から印加される駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄに応じて、振動アーム１１、１２がｘ軸方向に駆動振動する。 A drive voltage Vd having a drive vibration frequency fd is output to the drive electrode 110 of the vibration arm 11 and the drive electrode 120 of the vibration arm 12 from the drive circuit 610 of the detection circuit 600 illustrated in FIG. The drive vibration frequency fd is set to the resonance frequency of the vibrator 10. When the driving voltage Vd is applied between the first application electrode 101 and the second application electrode 102, the piezoelectric film 302 of the first application electrode 101 and the second application electrode 102 is deformed as described above, and the vibration arm 11 and 12 bend. That is, the vibration arms 11 and 12 drive and vibrate in the x-axis direction according to the drive voltage Vd of the drive vibration frequency fd applied from the detection circuit 600.

検出回路６００により、振動アーム１１、１２のそれぞれの第１印加電極１０１に同一極性の電圧が印加され、且つ第２印加電極１０２に第１印加電極１０１に印加される電圧と逆の極性の電圧が印加される。このため、振動アーム１１と振動アーム１２は駆動振動方向に沿って同一方向に屈曲する。つまり、振動アーム１１、１２は、同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が同一であり、且つ駆動振動周波数ｆｄで振動する。 The detection circuit 600 applies a voltage having the same polarity to the first application electrodes 101 of the vibrating arms 11 and 12 and a voltage having the opposite polarity to the voltage applied to the first application electrode 101 to the second application electrode 102. Is applied. For this reason, the vibrating arm 11 and the vibrating arm 12 bend in the same direction along the driving vibration direction. That is, the vibration arms 11 and 12 have the same drive vibration direction at the same time and vibrate at the drive vibration frequency fd.

振動アーム１１、１２がｘ軸方向に駆動振動している状態で、振動アーム１１、１２の延伸する方向（ｙ軸方向）を回転軸方向として振動子１０が角速度ωで回転すると、振動アーム１１、１２はコリオリ力をｚ軸方向に受ける。このとき、コリオリ力により振動アーム１１、１２が−ｚ方向に屈曲されると、検出アーム２０は、＋ｚ軸方向に屈曲する。一方、振動アーム１１、１２がコリオリ力により＋ｚ方向に屈曲されると、検出アーム２０は、−ｚ方向に屈曲する。上記のように、振動アーム１１、１２の駆動振動方向の屈曲に応じて、検出アーム２０はｚ軸方向に振動する。この検出アーム２０のｚ軸方向の振動を、以下において「検出振動」という。 When the vibrating arms 11 and 12 are driven to vibrate in the x-axis direction and the vibrator 10 rotates at the angular velocity ω with the extending direction of the vibrating arms 11 and 12 (y-axis direction) as the rotation axis direction, the vibrating arm 11 , 12 receives the Coriolis force in the z-axis direction. At this time, when the vibrating arms 11 and 12 are bent in the −z direction by the Coriolis force, the detection arm 20 is bent in the + z axis direction. On the other hand, when the vibrating arms 11 and 12 are bent in the + z direction by the Coriolis force, the detection arm 20 is bent in the −z direction. As described above, the detection arm 20 vibrates in the z-axis direction according to the bending of the vibration arms 11 and 12 in the driving vibration direction. The vibration in the z-axis direction of the detection arm 20 is hereinafter referred to as “detection vibration”.

検出振動に起因して、検出アーム２０に形状の歪みが発生する。このため、検出電極２００の圧電体膜３０２の形状が変化し、圧電体膜３０２で分極が生じる。その結果、検出電極２００に電荷が発生する。検出電極２００は、電荷の発生を電流若しくは電圧として検知し、検出した電流（検出電流）又は検出した電圧（検出電圧）を検出信号Ｓｔとして検出回路６００に出力する。検出信号Ｓｔは、検出振動の周波数に従って振動する。 Due to the detection vibration, a shape distortion occurs in the detection arm 20. For this reason, the shape of the piezoelectric film 302 of the detection electrode 200 changes and polarization occurs in the piezoelectric film 302. As a result, charges are generated at the detection electrode 200. The detection electrode 200 detects the generation of electric charge as a current or voltage, and outputs the detected current (detected current) or the detected voltage (detected voltage) to the detection circuit 600 as a detection signal St. The detection signal St vibrates according to the frequency of the detected vibration.

検出回路６００は、検出電極２００が出力する検出信号Ｓｔに基づき、振動子１０に加わった角速度ωを検出する。具体的には、検出電極２００に接続する検知回路６２０が、検出電極２００で発生した電荷による検出電流又は検出電圧を検出信号Ｓｔとして検知し、検出信号Ｓｔを検波回路６３０に送信する。 The detection circuit 600 detects the angular velocity ω applied to the vibrator 10 based on the detection signal St output from the detection electrode 200. Specifically, the detection circuit 620 connected to the detection electrode 200 detects a detection current or detection voltage due to the charge generated at the detection electrode 200 as the detection signal St, and transmits the detection signal St to the detection circuit 630.

検波回路６３０は、検知回路６２０から送信される検出信号Ｓｔを、駆動回路６１０から送信される駆動振動周波数ｆｄで同期検波することにより、角速度ωを算出する。 The detection circuit 630 calculates the angular velocity ω by synchronously detecting the detection signal St transmitted from the detection circuit 620 with the drive vibration frequency fd transmitted from the drive circuit 610.

なお、検出回路６００を振動子１０が形成された基板と異なる基板上に形成してもよいし、検出回路６００と振動子１０を同一の基板上に形成してもよい。振動子１０と検出回路６００を１チップ化することにより、角速度検出装置１を小型化することができる。 Note that the detection circuit 600 may be formed on a substrate different from the substrate on which the vibrator 10 is formed, or the detection circuit 600 and the vibrator 10 may be formed on the same substrate. By making the vibrator 10 and the detection circuit 600 into one chip, the angular velocity detection device 1 can be miniaturized.

振動アーム１１、１２が駆動振動のみしている状態では、検出アーム２０に厚さ方向（ｚ軸方向）の形状の変化は発生しない。このため、検出電極２００は検出信号Ｓｔを出力しない。特に、図１に示した角速度検出装置１では、振動アーム１１、１２と検出アーム２０とはｘ軸方向の長さである幅が異なる。このため、検出アーム２０の両側に配置された振動アーム１１、１２が共振現象により駆動振動方向（ｘ軸方向）に大きく振動した場合でも、検出アーム２０の振動はごく僅かである。したがって、振動子１０に角速度が加えられていない状態で発生する駆動ノイズを小さくできる。このため、Ｓ／Ｎ比の劣化が抑制される。 In the state where the vibrating arms 11 and 12 are only driven to vibrate, no change in the shape in the thickness direction (z-axis direction) occurs in the detection arm 20. For this reason, the detection electrode 200 does not output the detection signal St. In particular, in the angular velocity detection device 1 shown in FIG. 1, the vibration arms 11 and 12 and the detection arm 20 have different widths that are lengths in the x-axis direction. For this reason, even when the vibration arms 11 and 12 arranged on both sides of the detection arm 20 vibrate greatly in the driving vibration direction (x-axis direction) due to the resonance phenomenon, the vibration of the detection arm 20 is very small. Therefore, it is possible to reduce drive noise that occurs when no angular velocity is applied to the vibrator 10. For this reason, the deterioration of the S / N ratio is suppressed.

一方、ｚ軸方向の長さである厚さｄは振動アーム１１、１２と検出アーム２０で同一である。このため、コリオリ力によるｚ軸方向の検出振動の共振モードで検出アーム２０はｚ軸方向に大きく変位し、検出感度が向上する。 On the other hand, the thickness d, which is the length in the z-axis direction, is the same for the vibrating arms 11 and 12 and the detection arm 20. For this reason, the detection arm 20 is greatly displaced in the z-axis direction in the resonance mode of the detection vibration in the z-axis direction due to the Coriolis force, and the detection sensitivity is improved.

上記の効果を得るためには、振動アーム１１、１２の幅ｗ１に対する検出アーム２０の幅ｗ２の比が、１．５以上であることが効果的である。振動アーム１１、１２の幅ｗ１を１００μｍ、検出アーム２０の幅ｗ２を１５０μｍとした駆動振動のコンピュータシミュレーションによれば、振動アーム１１、１２の駆動振動方向の振幅を１としたときの検出アーム２０の駆動振動方向の振幅は０．０７である。一方、振動アーム１１、１２の幅ｗ１を１５０μｍ、検出アーム２０の幅ｗ２を１５０μｍとした駆動振動のコンピュータシミュレーションによれば、振動アーム１１、１２の駆動振動方向の振幅を１としたときの検出アーム２０の駆動振動方向の振幅は０．５６である。上記のように、振動アーム１１、１２の幅ｗ１に対する検出アーム２０の幅ｗ２の比を１．５以上にすると、駆動振動における検出アーム２０の振幅は振動アーム１１、１２の振幅の７％以下に抑えられ、駆動ノイズを大きく抑制できる。 In order to obtain the above effect, it is effective that the ratio of the width w2 of the detection arm 20 to the width w1 of the vibrating arms 11 and 12 is 1.5 or more. According to the computer simulation of drive vibration in which the width w1 of the vibration arms 11 and 12 is 100 μm and the width w2 of the detection arm 20 is 150 μm, the detection arm 20 when the amplitude in the drive vibration direction of the vibration arms 11 and 12 is 1. The amplitude in the driving vibration direction is 0.07. On the other hand, according to a computer simulation of drive vibration in which the width w1 of the vibration arms 11 and 12 is 150 μm and the width w2 of the detection arm 20 is 150 μm, detection is performed when the amplitude of the drive vibration direction of the vibration arms 11 and 12 is 1. The amplitude of the driving vibration direction of the arm 20 is 0.56. As described above, when the ratio of the width w2 of the detection arm 20 to the width w1 of the vibration arms 11 and 12 is 1.5 or more, the amplitude of the detection arm 20 in the drive vibration is 7% or less of the amplitude of the vibration arms 11 and 12. Drive noise can be greatly suppressed.

振動アーム１１、１２の幅ｗ１と検出アーム２０の幅ｗ２が異なれば、駆動ノイズによる検出信号Ｓｔへの影響を低減できる。図１には、振動アーム１１、１２の幅ｗ１が検出アーム２０の幅ｗ２より小さい角速度検出装置１を示したが、振動アーム１１、１２の幅ｗ１が検出アーム２０の幅ｗ２より大きくてもよい。ただし、検出アーム２０の幅ｗ２を振動アーム１１、１２の幅ｗ１より大きくすることにより、検出電極２００の面積を大きくして感度を上げることができる。 If the width w1 of the vibration arms 11 and 12 and the width w2 of the detection arm 20 are different, the influence of the drive noise on the detection signal St can be reduced. 1 shows the angular velocity detection device 1 in which the width w1 of the vibration arms 11 and 12 is smaller than the width w2 of the detection arm 20, but the width w1 of the vibration arms 11 and 12 is larger than the width w2 of the detection arm 20. Good. However, by making the width w2 of the detection arm 20 larger than the width w1 of the vibration arms 11 and 12, it is possible to increase the area of the detection electrode 200 and increase the sensitivity.

以上に説明したように、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１では、駆動振動する振動アーム１１、１２と角速度を検出する検出アーム２０とが異なり、且つ、振動アーム１１、１２と検出アーム２０の駆動振動方向の幅が異なる。このため、Ｓ／Ｎ比の劣化、及び角速度検出感度の低下が抑制される。したがって、図１に示した角速度検出装置１によれば、駆動ノイズによる検出信号への影響を低減できる角速度検出装置を提供できる。 As described above, in the angular velocity detection device 1 according to the embodiment of the present invention, the vibration arms 11 and 12 that vibrate and drive are different from the detection arm 20 that detects the angular velocity, and the vibration arms 11 and 12 are detected. The width of the arm 20 in the driving vibration direction is different. For this reason, the deterioration of the S / N ratio and the decrease in the angular velocity detection sensitivity are suppressed. Therefore, according to the angular velocity detection device 1 shown in FIG. 1, it is possible to provide an angular velocity detection device that can reduce the influence of drive noise on the detection signal.

本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１は、例えばカメラやビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角速度センサ、モーションセンサ等に採用可能である。 The angular velocity detection device 1 according to the embodiment of the present invention can be employed in, for example, a camera shake correction angular velocity sensor, a car navigation angular velocity sensor, a motion sensor, or the like of a camera or a video camera.

図４（ａ）、図４（ｂ）〜図８（ａ）、図８（ｂ）を参照して、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１の製造方法を説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）〜図８（ａ）、図８（ｂ）において、図（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った工程断面図であり、図（ｂ）は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った工程断面図である。なお、以下に述べる角速度検出装置１の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。 A method for manufacturing the angular velocity detection device 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 (a), 4 (b) to 8 (a), and 8 (b). 4 (a), FIG. 4 (b) to FIG. 8 (a), FIG. 8 (b), FIG. 4 (a) is a process sectional view along the II-II direction of FIG. These are process sectional drawing along the III-III direction of FIG. Note that the method of manufacturing the angular velocity detection device 1 described below is an example, and it is needless to say that the method can be realized by various other manufacturing methods including this modification.

（イ）図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、厚さ７００μｍ程度のシリコン基板４０の表面上に酸化シリコン膜４１を形成し、裏面上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。次いで、シリコン基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に、下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３を順に積層する。例えば、スパッタ法により、下部電極層３１１として膜厚２００ｎｍ程度のＰｔ／Ｔｉ積層膜を形成し、ＩｒＯ₂膜を下層とするＩｒＯ₂／Ｉｒの積層膜を上部電極層３１３として形成する。また、圧電体膜層３１２として例えばＰＬＺＴ膜をゾルゲル法等により形成する。下部電極層３１１がＴｉ膜を下層とするＰｔ／Ｔｉ積層膜である場合は、Ｔｉ膜とシリコン基板との密着性が良くない。このため、シリコン基板４０上に酸化シリコン膜４１を形成して、シリコン基板４０と下部電極層３１１との密着性を向上させている。 (A) As shown in FIGS. 4A and 4B, a silicon oxide film 41 is formed on the surface of a silicon substrate 40 having a thickness of about 700 μm, and a silicon oxide film 42 is formed on the back surface. The silicon oxide film 41 and the silicon oxide film 42 are formed by thermal oxidation. Next, the lower electrode layer 311, the piezoelectric film layer 312, and the upper electrode layer 313 are sequentially stacked on the silicon oxide film 41 on the surface of the silicon substrate 40. For example, a Pt / Ti laminated film having a thickness of about 200 nm is formed as the lower electrode layer 311 by sputtering, and an IrO ₂ / Ir laminated film having the IrO ₂ film as a lower layer is formed as the upper electrode layer 313. Further, for example, a PLZT film is formed as the piezoelectric film layer 312 by a sol-gel method or the like. When the lower electrode layer 311 is a Pt / Ti laminated film having a Ti film as a lower layer, the adhesion between the Ti film and the silicon substrate is not good. For this reason, a silicon oxide film 41 is formed on the silicon substrate 40 to improve the adhesion between the silicon substrate 40 and the lower electrode layer 311.

（ロ）フォトリソグラフィ技術やエッチング等により、所望のパターンになるように下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３をパターニングして、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３がそれぞれ積層された駆動電極１１０、１２０及び検出電極２００を形成する。その後、全面に保護膜４５としてアルミナ膜と酸化シリコン膜の積層膜を形成する。フォトリソグラフィ技術等を用いて、振動アーム１１、１２、検出アーム２０及び支持部３０を形成する領域上以外の、保護膜４５及び酸化シリコン膜４１を除去し、図６（ａ）及び図６（ｂ）の断面構造を得る。 (B) The lower electrode layer 311, the piezoelectric film layer 312 and the upper electrode layer 313 are patterned so as to have a desired pattern by a photolithography technique, etching, or the like, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). As shown, the drive electrodes 110 and 120 and the detection electrode 200 in which the lower electrode 301, the piezoelectric film 302, and the upper electrode 303 are stacked are formed. Thereafter, a laminated film of an alumina film and a silicon oxide film is formed as a protective film 45 on the entire surface. Using a photolithography technique or the like, the protective film 45 and the silicon oxide film 41 other than the region where the vibration arms 11 and 12, the detection arm 20, and the support portion 30 are formed are removed, and FIGS. The cross-sectional structure of b) is obtained.

（ハ）シリコン基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をエッチングして、支持部３０を形成する領域以外のシリコン基板４０の裏面を露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによりシリコン基板４０の裏面の一部を除去し、振動アーム１１、１２と検出アーム２０の裏面を露出させる。その後、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、シリコン基板４０の裏面にエッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０をプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）法等により形成する。 (C) A portion of the silicon oxide film 42 formed on the back surface of the silicon substrate 40 is etched to expose the back surface of the silicon substrate 40 other than the region where the support 30 is to be formed. Part of the back surface of the silicon substrate 40 is removed by wet etching using the remaining silicon oxide film 42 as an etching mask, and the back surfaces of the vibrating arms 11 and 12 and the detection arm 20 are exposed. Thereafter, as shown in FIGS. 7A and 7B, a silicon oxide film 60 is formed on the back surface of the silicon substrate 40 as an etching stopper by a plasma chemical vapor deposition (PCVD) method or the like.

（ニ）図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜６０をエッチングストッパーとするドライエッチングによってシリコン基板４０の表面の一部を除去し、振動アーム１１、１２と検出アーム２０の側面を露出させる。その後、酸化シリコン膜６０を除去する。以上により、図１に示す角速度検出装置１が完成する。 (D) As shown in FIGS. 8A and 8B, a part of the surface of the silicon substrate 40 is removed by dry etching using the protective film 45 as an etching mask and the silicon oxide film 60 as an etching stopper. The side surfaces of the vibrating arms 11 and 12 and the detection arm 20 are exposed. Thereafter, the silicon oxide film 60 is removed. Thus, the angular velocity detection device 1 shown in FIG. 1 is completed.

上記のような本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１の製造方法によれば、駆動振動する振動アーム１１、１２と、検出振動する検出アーム２０が異なり、且つ、振動アーム１１、１２と検出アーム２０の駆動振動方向の幅が異なる角速度検出装置１を製造できる。このため、駆動ノイズによる検出信号への影響を低減され、Ｓ／Ｎ比の劣化、及び角速度検出感度の低下が抑制された角速度検出装置１を提供できる。 According to the manufacturing method of the angular velocity detection device 1 according to the embodiment of the present invention as described above, the vibration arms 11 and 12 that vibrate for driving and the detection arm 20 that vibrates for detection differ, and the vibration arms 11 and 12 and Angular velocity detection devices 1 having different widths in the driving vibration direction of the detection arm 20 can be manufactured. Therefore, it is possible to provide the angular velocity detection device 1 in which the influence of the drive noise on the detection signal is reduced, and the deterioration of the S / N ratio and the decrease in the angular velocity detection sensitivity are suppressed.

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 (Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the embodiment. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

例えば、振動子１０が片持ち梁構造の振動子である例を示したが、振動子１０が振動アーム１１、１２及び検出アーム２０が中央で支持される両持ち梁構造の振動子であってもよい。 For example, although the example in which the vibrator 10 is a cantilever-type vibrator has been shown, the vibrator 10 is a vibrator having a double-sided beam structure in which the vibration arms 11 and 12 and the detection arm 20 are supported at the center. Also good.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

本発明の角速度検出装置は、角速度センサや、スチールカメラ、ビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角度センサ、モーションセンサに利用可能である。 The angular velocity detection device of the present invention can be used for an angular velocity sensor, an angular velocity sensor for camera shake correction of a still camera, a video camera, an angle sensor for car navigation, and a motion sensor.

１…角速度検出装置
１０…振動子
１１、１２…振動アーム
２０…検出アーム
３０…支持部
４０…シリコン基板
４１、４２…酸化シリコン膜
４５…保護膜
６０…酸化シリコン膜
１０１…第１印加電極
１０２…第２印加電極
１１０、１２０…駆動電極
２００…検出電極
３０１…下部電極
３０２…圧電体膜
３０３…上部電極
６００…検出回路
６１０…駆動回路
６２０…検知回路
６３０…検波回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Angular velocity detection apparatus 10 ... Vibrator 11, 12 ... Vibration arm 20 ... Detection arm 30 ... Support part 40 ... Silicon substrate 41, 42 ... Silicon oxide film 45 ... Protective film 60 ... Silicon oxide film 101 ... 1st application electrode 102 2nd application electrode 110, 120 ... Drive electrode 200 ... Detection electrode 301 ... Lower electrode 302 ... Piezoelectric film 303 ... Upper electrode 600 ... Detection circuit 610 ... Drive circuit 620 ... Detection circuit 630 ... Detection circuit

Claims

A pair of beam-type vibrating arms extending in the same direction and having the same width and thickness;
A beam-type detection arm having the same thickness as the vibration arm and having a different width, arranged between the pair of vibration arms and extending in the same direction as the vibration arm;
A detection circuit that detects a deformation in the thickness direction of the detection arm and detects an angular velocity of rotation about the extending direction of the vibration arm applied to the vibration arm that vibrates in the width direction. A featured angular velocity detection device.

The angular velocity detection device according to claim 1, wherein a width of the detection arm is wider than a width of the vibration arm.

The vibration arm has a drive electrode to which an electric signal for vibrating the vibration arm in the width direction is applied,
The angular velocity detection device according to claim 1, wherein the detection arm includes a detection electrode that outputs an electric signal generated by deformation of the detection arm in a thickness direction to the detection circuit.

The angular velocity detection device according to claim 1, wherein the vibration arm and the detection arm include a piezoelectric film.

The angular velocity detection device according to claim 4, wherein the piezoelectric film is a lead zirconate titanate (PZT) film or a lanthanum-doped lead zirconate titanate (PLZT) film.