JP2011164091A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサの薄型化を実現することができる角速度センサを提供する。
【解決手段】角速度センサ１は、第１の面内において平行でない２つの方向に同一の駆動信号で駆動される複数の振動部を含む振動子部１０１と、振動子部を支持する枠体１０２とを有し、第１の面内における所定の２方向に沿った第１及び第２の軸回りの角速度と、第１の面と直交する方向に沿った第３の軸回りの角速度とに応じた信号を生成するセンサ素子１００と、駆動信号を出力する自励発振回路２０１と、角速度各々に応じた信号に基づいて第１、第２及び第３の軸回りの角速度を出力する検出回路とを有するコントローラ２００と、センサ素子とコントローラとが実装される回路基板４００とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知やバーチャルリアリティ装置における動作検知、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに用いられる角速度センサに関する。

民生用の角速度センサとして、振動型のジャイロセンサが広く用いられている。振動型ジャイロセンサは、振動子を所定の周波数で振動させておき、振動子に生じるコリオリ力を圧電素子などで検出することによって角速度を検出する。上記ジャイロセンサは、例えば、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載され、それぞれ手振れ検知、動作検知、方向検知などのセンサとして活用されている。

この種のジャイロセンサを用いて空間内での姿勢変化を検出する場合、直交する２軸または３軸の方向に沿ってジャイロセンサを配置する構成が知られている。例えば特許文献１には、３個のジャイロスコープの振動子がフレキシブル基板上に実装されており、このフレキシブル基板を折り曲げて３個の振動子を互いに直交させることで、３次元の角速度検出を可能とする構成が記載されている。同様に、特許文献２には、基台上に３個の三脚音叉振動子を３軸方向に互いに直交するように配置した三次元角速度センサが記載されている。

特開平１１−２１１４８１号公報（段落[００１７]、図１） 特開２０００−２８３７６５号公報（段落[００１９]、図８）

近年、電子機器の小型化に伴い、これに搭載される電子部品の小型化、薄型化が要求されている。しかしながら、特許文献１及び２に記載の構成では、３つの振動子のうち１つはその長手方向を垂直方向（厚み方向）に向けて配置されていた。このため、センサの厚み寸法が大きくなるという問題があった。

また、上記垂直方向に配置される振動子の長さを短くすることでセンサの厚み寸法を低減することも考えられるが、この場合、当該厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することが困難になるという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、センサの薄型化を実現することができる角速度センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る角速度センサは、センサ素子と、コントローラと、回路基板とを具備する。
上記センサ素子は、第１の面内において平行でない２つの方向に同一の駆動信号で駆動される複数の振動部を含む振動子部と、上記振動子部を支持する枠体とを有する。上記センサ素子は、上記第１の面内における所定の２方向に沿った第１及び第２の軸回りの角速度と、前記第１の面と直交する方向に沿った第３の軸回りの角速度とに応じた信号を生成する。
上記コントローラは、上記駆動信号を出力する自励発振回路と、前記角速度各々に応じた信号に基づいて前記第１、第２及び第３の軸回りの角速度を出力する検出回路とを有する。
上記回路基板は、上記センサ素子と上記コントローラとが実装される。

上記角速度センサは、振動子部の複数の振動部を第１の面内で平行でない２つの方向に駆動させることで、第１の面に平行な所定の２軸（第１及び第２の軸）回りの角速度と、第１の面と直交する軸（第３の軸）回りの角速度とをそれぞれ検出する。すなわち上記角速度センサは、第３の軸回りの角速度を、第１の面内で振動する複数の振動部から出力される信号に基づいて検出する。これにより振動子の長手方向を必ずしも検出する回転の回転軸方向とする必要がなくなるため、垂直方向（厚み方向）の軸回りの角速度を検出する場合であっても、垂直方向に合わせて振動子の長手方向を配置する必要がなくなる。このため、センサの厚み寸法を大きくすることなく、厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することができ、さらにセンサの薄型化を実現することが可能となる。

上記振動子部の構成は特に限定されず、例えば上記振動子部は、第１の梁の組と、第２の梁の組と、複数の接続部とを有する環状のフレームを含む。
上記第１の梁の組は、上記第１の面内で第１の方向に延在し、上記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する。上記第２の梁の組は、上記第２の方向に延在し、上記第１の方向に相互に対向する。上記接続部は、上記第１の梁と上記第２の梁との間を接続する。
この場合、上記センサ素子は、駆動部と、第１の検出部とをさらに有する。
上記駆動部は、上記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときに上記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームの第１の梁の組と第２の梁の組を、上記第１の面内において平行でない２つの方向に振動させる。
上記第１の検出部は、上記振動モードで振動する上記フレームの上記第１の面内における変形に基づいて、上記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に沿った上記第３の軸回りの角速度を検出する。

上記フレームは、駆動部により、第１の面内において上記振動モードで励振される。このとき、第１及び第２の梁は、上記接続部を支点（振動節点）とする両持ち梁の形態で振動する。この状態で、フレームに上記第３の方向の軸（第３の軸）回りへの角速度が作用すると、上記の各梁に対しその瞬間での振動方向（単方向）と直交する方向のコリオリ力が発生する。上記コリオリ力は、上記第１及び第２の梁の組に作用し、フレームを第１の面内において略平行四辺形状に歪ませる。第１の検出部は、当該フレームの第１の面内において検出した歪み変形に基づいて、フレームに作用した角速度を検出する。なお、支持部は、フレームの接続部に接続されることで、上記振動モードを阻害することなく、また上記歪み変形を阻害することなく、フレームを支持する。

上記振動子部は、上記構成に加えて、第１の振り子部と、第２の振り子部と、第２の検出部とをさらに有してもよい。
上記第１の振り子部は、上記第１の面内において上記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように上記接続部に設けられ、上記第１の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記第２の振り子部は、上記第１の面内において上記第１、第２及び第４の方向と交差する第５の方向に延在するように上記接続部に設けられ、上記第１の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記第２の検出部は、上記第１の面と直交する方向への上記第１及び第２の振り子部の変形に基づいて、上記第１の面内における上記第１及び第２の方向の軸回りの角速度を検出する。

上記角速度センサにおいて、第１及び第２の振り子部は、フレームの振動に同期して第１の面内で振動する。この状態で、第１及び第２の振り子部に上記第１の面と平行な軸回りへの角速度が作用すると、上記第１及び第２の振り子部にその瞬間での振動方向（単方向）と直交する方向のコリオリ力が発生する。上記コリオリ力は、上記第１及び第２の振り子部に作用し、第１及び第２の振り子部を上記第１の面に直交する方向（第３の方向）に変形（振動）させる。第２の検出部は、当該第１及び第２の振り子部の第１の面に直交する方向（第３の方向）への変形をそれぞれ検出し、その変形量に基づいて、第１及び第２の振り子部に作用した角速度を検出する。

上記回路基板は、第１の面と、第２の面と、ビアとを有する多層配線基板で構成されてもよい。
上記第１の面は、上記センサ素子と上記コントローラとがそれぞれ実装される。上記第２の面は、上記角速度センサを外部の基板に実装するための外部接続端子を有する。上記ビアは、上記コントローラと上記外部接続端子との間を電気的に接続する。

上記構成によれば、外部接続端子を介して上記回路基板を直接外部の基板に実装することができるため、センサ全体のさらなる薄型化を実現することができる。

センサ素子と回路基板との電気的接続構造は特に限定されず、例えば上記枠体は、上記第１、第２及び第３の軸回りの角速度に応じた信号を上記回路基板を介して前記コントローラへ出力するための、上記第１の面と電気的に接続される複数の端子部を有する。

上記枠体は、上記振動子部の外側を囲む略四角形の枠状のベース部をさらに有してもよい。この場合、上記複数の端子部は、上記ベースの相互に対向する２辺上にそれぞれ形成される。

上記コントローラは、第１の高さを有する略直方体状のＩＣ部品で構成することができる。この場合、上記回路基板は、上記第１の面に形成され上記ＩＣ部品を収容可能な、上記第１の高さ以上の第２の高さを有する収容部をさらに有してもよい。これによりコントローラを回路基板の内部に実装できるため、センサを薄型化することができる。

この場合、センサ素子のベース部は、上記収容部を跨いで上記第１の面に実装されてもよい。これにより回路基板を小型化できる。

以上のように本発明によれば、センサの薄型化を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る角速度センサの概略断面図である。 上記角速度センサの要部の概略平面図である。 上記角速度センサの要部の概略断面図である。 上記角速度センサの変形例を示す要部の概略平面図である。 本発明の一実施形態に係るセンサ素子の全体斜視図である。 上記センサ素子の要部の概略平面図である。 上記センサ素子の要部の概略断面図である。 上記センサ素子の振動モードを説明する図である。 上記センサ素子の動作を説明する図である。 上記センサ素子の他の動作を説明する図である。 上記角速度センサの配線系統を示すブロック図である。 上記センサ素子の製造方法を説明する工程図である。 上記センサ素子の電極パターンを説明する平面図である。 上記センサ素子の配線例を説明する要部の平面図である。 図１４における［Ａ］−［Ａ］線方向断面図である。 上記センサ素子の分極工程を説明する概略配線図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る角速度センサを示す概略断面図である。本実施形態の角速度センサ１は、センサ素子１００と、コントローラ２００と、回路基板４００と、カバー５００とを備える。図２は、カバー５００を取り外して見たときの角速度センサ１の概略平面図である。

図１に示す角速度センサ１は、全体的に略直方体形状に形成されており、Ｘ軸方向に縦方向、Ｙ軸方向に横方向、Ｚ軸方向に厚み方向を有する。センサ素子１００及びコントローラ２００はそれぞれ回路基板４００の一方の面側に実装され、カバー５００は、センサ素子１００及びコントローラ２００を被覆するようにして回路基板４００の一方の面に機械的に固定される。このようにして角速度センサ１は、外部の回路基板に表面実装可能な単一のパッケージ部品として構成される。

（センサ素子及びコントローラの概要）
センサ素子１００は、後述するように、ＸＹ平面（第１の平面）において同一の駆動信号で平行でない２つの方向に駆動される複数の振動部を有する振動子部１０１と、振動子部１０１を支持する枠体１０２とを有する。センサ素子１００は、ＸＹ平面内における所定の２方向に沿った各軸（第１の軸及び第２の軸）回りの角速度と、ＸＹ平面に垂直な方向に沿ったＺ軸（第３の軸）回りの角速度とに応じた信号を生成するためのセンサ素子として構成される。本実施形態では、第１の軸にＸ軸が、第２の軸にＹ軸がそれぞれ設定されるが、勿論これに限られない。

センサ素子１００は、２枚のシリコン（Ｓｉ）基板を貼り合わせたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板に微細加工を施すことで形成される。すなわちセンサ素子１００は、第１の層１１１と、第２の層１１２と、第１及び第２の層１１１，１１２を接合する接合層１１３とを有する。

第１及び第２の層１１１，１１２はそれぞれシリコン基板で形成され、接合層１１３はシリコン酸化膜で形成される。第１の層１１１は、振動子部１０１及び枠体１０２をそれぞれ構成し、第２の層１１２は、第１の層の周縁に沿って枠状に形成される。第１及び第２の層１１１，１１２は、平面形状が長方形、正方形等の略四角形状に形成され、それぞれ同一又はほぼ同一の大きさで形成されている。

第１の層１１１は、第２の層１１２が接合される表面と、回路基板４００と対向する裏面とを有する。第１の層１１１の裏面には、回路基板４００と電気的に接合される複数の端子部１１４が形成されている。各端子部１１４は、第１の層１１１の周縁に沿って配列されており、本実施形態ではＹ軸方向に対向する１組の辺にのみ形成されている。本実施形態では第１の層１１１は略長方形状を有し、その短辺側の２辺に端子部１１４がそれぞれ形成されている。

枠体１０２は、ベース部８１と、連結部８２とを有する。ベース部８１は、端子部１１４を有し、振動子部１０１の外側を囲む略四角形の枠状に形成される。連結部８２は、ベース部８１と振動子部１０１との間を連結し、ＸＹ平面内において変形可能な形状を有する。これにより、後述する振動子部１０１の振動を阻害することなく振動子部１０１を支持することができる。

コントローラ２００は、後述するように、振動子部１０１を励振する駆動信号を出力する自励発振回路と、各軸回りの角速度各々に応じた信号に基づいてＸ，Ｙ及びＺ軸回りの角速度を出力する検出回路とを有する。

コントローラ２００は、単一のＩＣ部品で構成される。コントローラ２００は、半導体ベアチップで構成されてもよいし、ＣＳＰ（Chip Size Package）等の半導体パッケージ部品で構成されてもよい。コントローラ２００は、平面形状が長方形、正方形等の四角形に形成された略直方体形状であり、少なくともＹ軸方向に対向する１組の辺がセンサ素子１００の長辺よりも短く形成されている。コントローラ２００は、回路基板４００と対向する裏面側に能動面を有し、その能動面に複数の端子部２１１が配列されている。

（回路基板）
回路基板４００は、平面形状が矩形状である多層配線基板で構成される。回路基板４００は、カバー５００によって被覆される表面４０１（第１の面）と、その反対側の裏面４０２（第２の面）とを有する。

回路基板４００の表面４０１にはコントローラ２００を収容する収容部４０３が形成されている。収容部４０３は矩形状の凹部からなり、コントローラ２００の厚み寸法（第１の高さ）以上の深さ寸法（第２の高さ）で形成されている。収容部４０３のＹ軸方向に沿った開口幅は、センサ素子１００のＹ軸方向に沿った幅寸法よりも小さい。本実施形態において収容部４０３は、平面形状が矩形状に形成されているが、これ以外の他の幾何学的形状に形成されてもよい。収容部４０３の周面及び底面もまた、回路基板４００の表面４０１を形成する。

回路基板４００はその両面及び内層にそれぞれ配線層を有しており、これら配線層は、表面４０１の表層に第１のランド４１１を、裏面４０２の表層に外部接続端子４１２を、基板内部に第２のランド４１３をそれぞれ形成する。これら配線層は、典型的には、銅箔やアルミニウム箔などの導体層をパターニングして形成される。

回路基板４００の表面４０１には、第１のランド４１１と第２のランド４１３が形成され、回路基板４００の内部には、第１のランド４１１と第２のランド４１３との間を電気的に接続するビア（図示略）、及び第２のランド４１３と外部接続端子４１２との間を電気的に接続するビア（図示略）が形成されている。ビアは、回路基板４００を貫通する構造でもよいし、貫通しない構造であってもよい。また回路基板表面に設けた配線パターンでランド間の電気的接続をとってもよい。

第１のランド４１１は、センサ素子１００の端子部１１４に電気的機械的に接続される。外部接続端子４１２は、図示しない外部基板（例えば、角速度センサ１が実装される電子機器の制御基板）の表面に電気的機械的に接続される。第２のランド４１３は、収容部４０３の底面に形成され、コントローラ２００の端子部２１１に電気的機械的に接続される。上記電気的機械的な接続方式は特に限定されず、はんだ、導電性接着剤等の接合材が用いられてもよいし、超音波接合等の接合技術が用いられてもよい。

センサ素子１００及びコントローラ２００の支持する回路基板に上記のようなビアを有する両面回路基板を用いることで、専用の端子金具を回路基板に取り付けることなく角速度センサ１を外部の基板に表面実装することができる。

本実施形態の角速度センサ１においては、回路基板４００がコントローラ２００を収容する収容部４０３を有するため、回路基板４００の表面４０１に対するコントローラ２００の実装高さを低く抑えることができる。特に本実施形態では、収容部４０３の深さはコントローラ２００の厚み以上であるため、回路基板４００の表面４０１からコントローラ２００を突出させることなく、コントローラ２００を収容部４０３に実装することができる。これによりセンサ素子１００よりもコントローラ２００の厚みが大きい場合等においては、回路基板４００に対する部品の実装高さをセンサ素子１００の実装高さで決定できることになるため、角速度センサ１をより薄型で構成することができる。

また本実施形態では、センサ素子１００のベース部８１は、収容部４０３を跨いで回路基板４００の表面４０１に実装される。これにより、回路基板４００に対するセンサ素子１００の実装領域とコントローラ２００の実装領域とをオーバーラップさせることができるため、フットプリントの大幅な低減により回路基板４００を小型化することができる。
なお、センサ素子１００とコントローラ２００との間の隙間は、センサ素子１００の振動子部１０１の振動を妨げない程度の適宜の大きさに設定される。

センサ素子１００は、回路基板４００に対してフリップチップ方式で表面実装される。本実施形態では端子部１１４の形成領域に対応して枠状の第２の層１１２が形成されているため、第２の層１１２は実装時の補強層として機能する。これにより実装時におけるセンサ素子１００の破損を防止することができる。またセンサ素子を製造する際のハンドリングも容易になる。

図３は、Ｘ軸方向から見たセンサ素子１００の概略側面図である。端子部１１４は、第１の層１１１の裏面にＸ軸方向に沿って配列されている。図示の例では各端子部１１４は、はんだ等の接合材Ｊを介して回路基板４００の第１のランド４１１に接合されている。

各端子部１１４は、第１の層１１１の裏面を被覆する絶縁膜１１５の上に形成される。これにより単結晶シリコンで形成される第１の層１１１を介して各端子部１１４が短絡することが防止される。絶縁膜１１５は、典型的には、シリコン酸化膜で形成されるが、勿論これに限られない。

一方、図３に示すように第１の層１１１の裏面には、端子部１１４に隣接して接地用端子１１６が形成されている。接地用端子１１６は、絶縁膜１１５に形成された開口を介して第１の層１１１に形成され、第１の層１１１と電気的に接続される。接地用端子１１６と接合される所定のランド部４１１ａは、回路基板４００の接地回路に接続される。

接地用端子１１６は、第１の層１１１の浮遊容量やチャージアップ、第１の層１１１を介しての各電極間のリークを防止する目的で形成される。すなわちＳＯＩ基板を用いてセンサ素子１００が構成される場合、単結晶シリコン層と電極あるいは配線層との間は絶縁層を介して隔てられている。上記シリコン層は仕様によって比抵抗が調整されるものもあるが、一般的に導体としての電気的性質を有する。また、上記シリコン層の表面は絶縁膜（シリコン酸化膜１１３，１１５）で覆われているため、帯電した電荷を消失させるには工夫を必要とする。そこで本実施形態では、上述した構成の接地用端子１１６及びランド部４１１ａを設けることで、第１の層１１１を接地電位に接続する。なお、接地用端子１１６はグラウンド電位に接続される場合に限られず、所定の直流電位であってもよい。

さらに、センサ素子１００及び回路基板４００がいずれも矩形状に形成される本実施形態においては、図２に示すようにセンサ素子１００及び回路基板４００の各辺が相互に平行となるようにセンサ素子１００が実装される。このため例えば図４に示すように、回路基板４００の各辺に対してセンサ素子１００の各辺が斜めとなるようにセンサ素子１００が実装される場合と比較して、センサ全体の横方向の寸法を小さくすることができる。

（カバー）
カバー５００は、四側面と天面とを有する箱体であり、内部にはセンサ素子１００及びコントローラ２００を収容する空間部５０１を有する。カバー５００は例えばアルミニウム製の金属板を折り曲げて形成され、空間部５０１内への外光の侵入を防止できる遮光性を有する。

後述するようにセンサ素子１００の駆動及び角速度の検出には、圧電膜の圧電特性が利用されるが、この種の圧電膜は圧電効果だけでなく焦電効果も有する。カバー５００は、外光の照射による分極特性の変化でセンサ素子１００の駆動特性及び角速度の検出特性が変動することを防止する。

カバー５００は、センサ素子１００を覆うように回路基板４００の第１の面４０１に固定される。接合方法は特に限定されず、接着剤を用いた接着のほか、機械的なカシメ固定であってもよい。回路基板４００の第１の面４０１には、カバー５００の端部が嵌合する溝部や段部などが形成されていてもよい。

［センサ素子］
以下、センサ素子１００の構成の詳細について説明する。

図５は、センサ素子１００の一構成例を示す全体斜視図であり、回路基板４００と対向する素子の裏面側を示している。上述したようにセンサ素子１００は、振動子部１０１と、枠体１０２とを有する。振動子部１０１は、複数の振動部として、第１の梁の組、第２の梁の組と接続部からなるフレーム１０と、振り子部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂとを有し、枠体１０２は、ベース部８１と連結部８２とを有する。

（フレーム）
図６は、振動子部１０１の構成を模式的に示す平面図である。本実施形態のセンサ素子１００は、四辺を有する環状のフレーム１０を備える。フレーム１０は、ａ軸方向に横方向、ｂ軸方向に縦方向、ｃ軸方向に厚み方向を有する。一方、図６において、ａ軸に平行な軸方向にＹ軸が設定され、ｂ軸に平行な方向にＸ軸が設定される。Ｚ軸方向は、ｃ軸方向と平行な軸方向である。

フレーム１０の各辺は、振動梁として機能し、第１の梁の組１１ａ、１１ｂと、第２の梁の組１２ａ、１２ｂとを含む。第１の梁の組１１ａ、１１ｂは、図６においてａ軸方向に相互に平行に延在し、ａ軸方向と直交するｂ軸方向に相互に対向する一組の対辺で構成される。第２の梁の組１２ａ、１２ｂは、ｂ軸方向に相互に平行に延在し、ａ軸方向に相互に対向する他の一組の対辺で構成される。梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、それぞれ同一の長さ、幅及び厚みを有しており、フレーム１０の外観は、中空の正方形状を有している。

フレーム１０は、シリコン単結晶基板に微細加工技術を施すことで形成される。例えば、フレーム１０は、公知のＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）の製造技術を用いて形成することができる。フレーム１０の大きさは特に限定されず、例えば、フレーム１０の一辺の長さは１０００〜４０００μｍ、フレーム１０の厚みは１０〜２００μｍ、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの幅は５０〜２００μｍである。

フレーム１０の四隅に相当する部位には、第１の梁の組１１ａ、１１ｂと第２の梁の組１２ａ、１２ｂとの間を接続する接続部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄがそれぞれ形成されている。第１の梁の組１１ａ、１１ｂ及び第２の梁の組１２ａ、１２ｂの両端は、接続部１３ａ〜１３ｄによってそれぞれ支持される。後述するように、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、接続部１３ａ〜１３ｄによって両端が支持された振動梁として機能する。フレーム１０の四隅は、図示するように角張った形状に限らず、面取りされたり、丸みを帯びた形状に形成されたりしてもよい。

フレーム１０は、さらに、第１の振り子部２１ａ、２１ｂと、第２の振り子部２２ａ、２２ｂとを有する。第１の振り子部２１ａ、２１ｂは、相互に対角関係にある１組の接続部１３ａ、１３ｃにそれぞれ形成されており、その対角線方向に沿ってフレーム１０の内側に延在している。第１の振り子部２１ａ、２１ｂのそれぞれの一端は、接続部１３ａ、１３ｃに固定され、それぞれの他端は、フレーム１０の中央付近において相互に対向している。第２の振り子部２２ａ、２２ｂは、相互に対角関係にある他の１組の接続部１３ｂ、１３ｄにそれぞれ形成されており、その対角線方向に沿ってフレーム１０の内側に延在している。第２の振り子部２２ａ、２２ｂのそれぞれの一端は、接続部１３ｂ、１３ｄに固定され、それぞれの他端は、フレーム１０の中央付近において相互に対向している。

振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、それぞれ典型的には同一の形状及び大きさを有しており、フレーム１０の外形加工の際に同時に形成される。振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの形状、大きさは特に限定されず、全く同一の形状でなくてもよい。本実施形態において、振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、自由端側に形成されたヘッド部Ｈと、ヘッド部Ｈと接続部１３ａ〜１３ｄとの間を接続するアーム部Ｌとを有する。アーム部Ｌは、後述するように梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの振動によってＸＹ平面内において励振される。ヘッド部Ｈは梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂからみて振動錘として機能する。

フレーム１０は上述した正方形状に限られず、長方形状や平行四辺形状を含む他の四角形状であってもよい。また、フレーム１０は、四角形に限られず、八角形等の他の多角形状であってもよい。四隅の接続部により両端が支持された各梁は直線でなく、屈曲した直線や曲線で構成されていてもよく、内周もしくは外周側に突出していてもよい。

（駆動電極）
センサ素子１００は、フレーム１０を振動させる駆動部として、圧電駆動層を有する。圧電駆動層は、第１の梁の組１１ａ、１１ｂにそれぞれ設けられた第１の駆動電極３０１と、第２の梁の組１２ａ、１２ｂにそれぞれ設けられた第２の駆動電極３０２とを有する。駆動電極３０１，３０２は、入力電圧に応じて機械的に変形し、その変形の駆動力で梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを振動させる。変形の方向は、入力電圧の極性で制御される。

駆動電極３０１、３０２は、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの上面であってそれらの軸線に沿ってそれぞれ直線的に形成されている。図６においては、理解を容易にするため、駆動電極３０１、３０２をそれぞれ異なる種類のハッチングで示す。駆動電極３０１は、第１の梁の組１１ａ、１１ｂの外縁側に配置され、駆動電極３０２は、第２の梁の組１２ａ、１２ｂの外縁側とに各々平行に配置されている。

駆動電極３０１、３０２は、それぞれ同一の構成を有している。図７は、第２の梁１２ａに配置された駆動電極３０２の断面図である。駆動電極３０１、３０２は、下部電極層３０３と、圧電材料層３０４と、上部電極層３０５との積層構造を有する。駆動電極３０１、３０２は、例えば０．５〜３μｍの厚みで形成される。なお、圧電駆動層が形成される梁を有するフレームはシリコン単結晶基板からなり、上記圧電駆動層が形成される面にはあらかじめシリコン酸化膜等の絶縁膜Ｄ１が形成されている。

圧電材料層３０４は、下部電極層３０３と上部電極層３０５との電位差に応じて伸縮するように分極配向されている。したがって、駆動電極３０１、３０２の各々の下部電極層３０３を共通の基準電位に接続し、各々の上部電極層３０５に交流電圧を印加することで、圧電材料層３０４を伸縮させることができる。また、上部電極層３０５と下部電極層３０３とに相互に逆位相の交流電圧が印加されてもよい。これにより約２倍の振幅で圧電材料層３０４を伸縮させることができる。

下部電極層３０３、圧電材料層３０４及び上部電極層３０５の構成材料は特に限定されず、例えば、下部電極層３０３はチタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）の積層膜、圧電材料層３０４はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、上部電極層３０５は白金で構成される。これら各層は、スパッタリング法や真空蒸着法、ＣＶＤ法等の薄膜製造技術を用いて形成することができる。また、形成された膜のパターニングには、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工を用いることができる。

（センサ素子の動作原理）
第１の駆動電極３０１と第２の駆動電極３０２とは、一方が伸びたとき他方が縮むように相互に逆位相の電圧が印加される。これにより、梁１２ａ、１２ｂは、両端が接続部１３ａ〜１３ｄに支持された状態でａ軸方向に撓み変形を受け、ＸＹ平面内において双方が離間する方向と双方が近接する方向とに交互に振動する。第１の梁の組１１ａ、１１ｂも同様に、両端が接続部１３ａ〜１３ｄに支持された状態でｂ軸方向に撓み変形を受け、ＸＹ平面内において双方が離間する方向と双方が近接する方向とに交互に振動する。

したがって、第１の梁の組１１ａ、１１ｂが相互に近接する方向に振動する場合は、第２の梁の組１２ａ、１２ｂは相互に離間する方向に振動し、第１の梁の組１１ａ、１１ｂが相互に離間する方向に振動する場合は、第２の梁の組１２ａ、１２ｂは相互に近接する方向に振動する。このとき、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの中央部は、振動の腹を形成し、それらの両端部（接続部１３ａ〜１３ｄ）は、振動の節（ノード）を形成する。このような振動モードを以下、フレーム１０の基本振動と称する。

梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、それらの共振周波数で駆動される。各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの共振周波数は、それらの形状、長さ等によって定められる。フレーム１０の基本振動における共振周波数と、角速度検出時における共振周波数とが近いほど、検出出力を上げることができる。Ｚ軸まわりの角速度を検出する場合、上記２つの共振周波数は、フレーム１０の厚みにほとんど依存しないため、フレーム１０の厚みを小さくすることで、圧電駆動による機械的変位をより大きくすることができる。一方、フレーム１０が薄いとフレーム１０の機械的強度が低下するため、デバイスとしての信頼性を確保できる厚みに設定される。
また、振動梁の動作周波数が低いほど振動子の振幅が大きくなるため、角速度センサとしては高特性が得られる。一方、振動梁が小型であるほど、その動作周波数は高くなる傾向にある。本実施形態では、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの共振周波数は、１〜１００ｋＨｚの範囲で設定される。

図８は、フレーム１０の基本振動の時間変化を示す模式図である。図８において「駆動信号１」は、第１の駆動電極３０１に印加される入力電圧の時間変化を示し、「駆動信号２」は、第２の駆動電極３０２に印加される入力電圧の時間変化を示す。図８に示すように、駆動信号１と駆動信号２とは相互に逆位相に変化する交流波形を有する。これによりフレーム１０は、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ａ）、・・・の順に変化し、第１の梁の組１１ａ、１１ｂと第２の梁の組１２ａ、１２ｂのうち、一方の組が近接したときは他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときは上記他方の組が近接する振動モードで、フレーム１０は振動する。
なお、実際には入力信号が印加されてからフレームが変化（変位）するまでには圧電体の応答時間や入力動作周波数、フレーム共振周波数などの影響で遅延時間が存在する。本例においては、上記遅延時間は十分に小さいものとして図８の時間変化を説明している。

また、上述したフレーム１０の基本振動に伴って、第１の振り子部２１ａ、２１ｂ及び第２の振り子部２２ａ、２２ｂもまた、フレーム１０の振動に同期して、接続部１３ａ〜１３ｄを中心としてＸＹ平面内でそれぞれ振動する。振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの振動は、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの振動により励起される。この場合、第１の振り子部２１ａ、２１ｂと第２の振り子部２２ａ、２２ｂとは、ＸＹ平面内における振り子部分の支点部すなわち上記接続部１３ａ〜１３ｄからの左右の揺動方向において、相互に逆位相で振動（揺動）する。

図８に示すように、第１の梁の組１１ａ、１１ｂが相互に近接する方向へ振動するときは、第１の振り子部２１ａと第２の振り子部２２ａとは相互に離間する方向へ振動し（状態（ｂ））、第１の梁の組１１ａ、１１ｂが相互に離間する方向へ振動するときは、第１の振り子部２１ａと第２の振り子部２２ａとは相互に近接する方向へ振動する（状態（ｄ））。第１の振り子部２１ｂと第２の振り子部２２ｂもまた、第２の梁の組１２ａ、１２ｂの振動方向によって、相互に離間する方向と近接する方向とに交互に振動する。以上のように、第１の振り子部２１ａ、２１ｂと第２の振り子部２２ａ、２２ｂとは、フレーム１０の基本振動に同期して相互に逆位相で振動する。

以上のように駆動電極３０１、３０２に対して逆位相の交流電圧が印加されることで、フレーム１０の各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、図８に示した振動モードで振動する。このような基本振動を継続するフレーム１０にＺ軸まわりの角速度が作用すると、フレーム１０の各点に当該角速度に起因するコリオリ力が作用することで、フレーム１０は図９に示したようにＸＹ平面内において歪むように変形する。したがって、このＸＹ平面内におけるフレーム１０の変形量を検出することで、フレーム１０に作用した角速度の大きさ及び方向を検出することが可能となる。

図９は、Ｚ軸まわりに角速度が作用したフレーム１０のある瞬間におけるフレーム１０の変形の様子を概略的に示す平面図である。なお説明を分かりやすくするため、フレーム１０の形状及び変形の様子はやや誇張して示している。基本振動をするフレーム１０にＺ軸を中心とする時計回り方向の角速度が作用すると、フレーム１０内の各点（梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）には、Ｚ軸と直交するＸＹ平面内において、上記各点のその瞬間における移動方向（振動方向）と時計回り方向へ９０度をなす方向に当該角速度の大きさに比例したコリオリ力が発生する。すなわち、コリオリ力の向きは、図９に示すように当該コリオリ力が作用する点の上記瞬間における振動の方向によって決まる。これにより、フレーム１０は、正方形状から概略平行四辺形状となるように、ＸＹ平面内において、ひしゃげられる（歪む）。
なお、図９は、Ｚ軸を中心として時計まわりに所定の角速度が作用したときの様子を示している。なお、角速度の向きが反対（反時計まわり）の場合は、各点に作用するコリオリ力の向きも反対となる。

（検出電極）
フレーム１０に作用した角速度の検出にはどのような手段が用いられてもよい。本実施形態ではフレーム１０に形成した圧電検出層によって角速度を検出する。センサ素子１００は、Ｚ軸回りの角速度を検出する圧電検出層として、図６に示すように一対の検出電極５１ａと一対の検出電極５１ｂとを有する。

各検出電極５１ａは、対角関係にある一方の組の接続部１３ａ、１３ｃ周辺にそれぞれ形成されている。一方の検出電極５１ａは、接続部１３ａから梁１１ａ及び１２ａに沿って２方向に延びており、他方の検出電極５１ａは、接続部１３ｃから梁１１ｂ及び１２ｂに沿って２方向に延びている。また、各検出電極５１ｂは、対角関係にある他方の組の接続部１３ｂ、１３ｄ周辺にそれぞれ形成されている。一方の検出電極５１ｂは、接続部１３ｂから梁１１ｂ及び１２ａに沿って２方向に延びており、他方の検出電極５１ｂは、接続部１３ｄから梁１１ａ及び１２ｂに沿って２方向に延びている。
接続部から梁に沿って延びる検出電極は、歪の検出効率を上げる観点から、フレームの１辺の長さの１／４を超えない範囲で接続部周辺に配置するとよい。

ここで、接続部周辺とは「接続部」または「接続部及び接続部に接続される梁の接続部隣接部」または「接続部に接続される梁の接続部隣接部」のいずれかを指す。例えば、図３８に示す角速度センサは、Ｚ軸回りの角速度検出用の検出電極５１ａ、５１ｂが接続部１３ａ〜１３ｄの周辺の内周側に形成された例を示す。これに代えて、検出電極５１ａ、５１ｂは、接続部１３ａ〜１３ｄの周辺の外周側に形成さたてもよい。

検出電極５１ａ、５１ｂは、駆動電極３０１、３０２と同様な構成を有しており、下部電極層と、圧電材料層と、上部電極層との積層体（図７）で構成され、各梁の機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。

図６に示すセンサ素子１００においては、Ｚ軸回りに角速度が作用した際、フレーム１０の内角の大きさが図９に示したように周期的に変動する。このとき、対角関係にある一方の接続部１３ａ、１３ｃの組と他方の接続部１３ｂ、１３ｄの組とでは内角の変動が相互に逆位相となる。したがって接続部１３ａ上の検出電極５１ａの出力と接続部１３ｃ上の検出電極５１ａの出力とは原理的には同一であり、接続部１３ｂ上の検出電極５１ｂの出力と接続部１３ｄ上の検出電極５１ｂの出力とは原理的には同一である。そこで、２つの検出電極５１ａの出力の和と２つの検出電極５１ｂの出力の和との差分を算出することにより、フレーム１０に作用するＺ軸まわりの角速度の大きさ及び方向が高感度で検出可能となる。

一方、Ｘ軸回り及びＹ軸回りの角速度を検出する圧電検出層として、本実施形態のセンサ素子１００は、振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ及び２２ｂ上にそれぞれ形成された検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ及び７２ｂを有する。

検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂのアーム部Ｌの軸心上に直線的に形成されている。検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、第１及び第２の駆動電極３０１、３０２と同様な構成を有しており、下部電極層と、圧電材料層と、上部電極層との積層体（図７）で構成され、アーム部Ｌの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。特に、検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、アーム部ＬのＺ軸方向の変形を検出する機能を有する。

本実施形態では、ａ軸に平行な軸方向に一方の角速度検出軸（Ｙ軸）が設定され、ｂ軸に平行な軸方向に他方の角速度検出軸（Ｘ軸）が設定される。このような構成において、振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂに形成された検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ各々は、Ｘ軸まわりの角速度及びＹ軸まわりの角速度をそれぞれ検出するための検出部として機能する。

駆動電極３０１、３０２には、相互に逆位相の交流電圧がそれぞれ印加される。これにより、フレーム１０の各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ及び振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、図８に示した振動モード（基本振動）で振動する。図１０（Ａ）は、フレーム１０にＸ軸回りの角速度が作用したときの振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの振動形態を説明する概略斜視図である。一方、図１０（Ｂ）は、フレーム１０にＹ軸回りの角速度が作用したときの振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの振動形態を説明する概略斜視図である。

基本振動で振動するフレーム１０にＸ軸まわりの角速度が作用すると、図１０（Ａ）に示すように各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂにその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力Ｆ１がそれぞれ発生する。これにより、Ｘ軸方向に隣接する一方の振り子部２１ａ及び振り子部２２ｂの組は、コリオリ力Ｆ１によりＺ軸の正の方向へ変形し、それらの変形量が検出電極７１ａ、７２ｂによって各々検出される。また、Ｘ軸方向に隣接する他方の振り子部２２ａ、２１ｂの組は、コリオリ力Ｆ１によりＺ軸の負の方向へ変形し、それらの変形量が検出電極７２ａ、７１ｂによって各々検出される。

一方、基本振動で振動するフレーム１０にＹ軸まわりの角速度が作用すると、図１０（Ｂ）に示すように各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂにその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力Ｆ２がそれぞれ発生する。これにより、Ｙ軸方向に隣接する一方の振り子部２１ａ及び振り子部２２ａの組は、コリオリ力Ｆ２によりＺ軸の負の方向へ変形し、それらの変形量が検出電極７１ａ、７２ａによって各々検出される。また、Ｙ軸方向に隣接する他方の振り子部２１ｂ、２２ｂの組は、コリオリ力Ｆ２によりＺ軸の正の方向へ変形し、それらの変形量が検出電極７１ｂ、７２ｂによって各々検出される。

Ｘ軸及びＹ軸に各々斜めに交差する方向の軸まわりに角速度が生じた場合にも上述と同様な原理で角速度が検出される。すなわち、各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、当該角速度のＸ方向成分及びＹ方向成分に応じたコリオリ力によって変形し、それらの変形量が検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂによって各々検出される。センサ素子の駆動回路は、これら検出電極の出力に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度及びＹ軸まわりの角速度をそれぞれ抽出する。これにより、ＸＹ平面に平行な任意の軸まわりの角速度を検出することができる。

（参照電極）
本実施形態のセンサ素子１００は、参照電極６１を有する。参照電極６１は、梁１２ａ及び梁１２ｂ上に駆動電極３０２と隣接して配置されている。参照電極６１は、駆動電極３０１、３０２と同様な構成を有しており、下部電極層と、圧電検出層と、上部電極層との積層体（図２）で構成され、梁１２ａの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。

参照電極６１は、駆動電極３０２によって励振される梁１２ａの振動を検出し、その検出出力は、フレーム１０を基本振動で発振させるための参照信号の生成に用いられる。なお、参照電極６１の形成に代えて、第１及び第２の検出電極５１ａ、５１ｂの各出力の和信号を生成し、これを上記参照信号とすることも可能である。

［コントローラ］
次に、コントローラ２００の詳細について説明する。

図１１は、コントローラ２００の構成を示すブロック図である。コントローラ２００は、同一の駆動信号で複数の振動部（フレーム１０、振り子部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ）をＸＹ平面内で振動させる駆動信号を生成する自励発振回路２０１と、上記振動部から出力される角速度に応じた信号に基づいてＸ，Ｙ及びＺ軸回りの角速度を出力する検出回路（演算回路２０３、検波回路２０４、平滑回路２０５）とを有する。

コントローラ２００は、Ｇｏ１端子と、Ｇｏ２端子と、ＧFB端子と、Ｇｘｙ１端子と、Ｇｘｙ２端子と、Ｇｘｙ３端子と、Ｇｘｙ４端子と、Ｇｚ１端子と、Ｇｚ２端子と、Ｖref端子とを有する。

Ｇｏ１端子は、一対の駆動電極３０１各々の上部電極層３０５（図７）に接続されている。Ｇｏ２端子は、一対の駆動電極３０２各々の上部電極層３０５に接続されている。ＧFB端子は、一対の参照電極６１各々の上部電極層に接続されている。Ｇｘｙ１端子は、検出電極７１ａの上部電極層に接続され、Ｇｘｙ２端子は、検出電極７２ｂの上部電極層に接続されている。Ｇｘｙ３端子は、検出電極７１ｂの上部電極層に接続され、Ｇｘｙ４端子は、検出電極７２ａの上部電極層に接続されている。Ｇｚ１端子は、一対の検出電極５１ａ各々の上部電極層に接続され、Ｇｚ２端子は、一対の検出電極５１ｂ各々の上部電極層に接続されている。Ｖref端子は、駆動電極３０１、３０２の各々の下部電極層３０３（図２）と、参照電極６１の下部電極層と、検出電極５１ａ、５１ｂ、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂの各々の下部電極層とに、それぞれ接続されている。

コントローラ２００の上記各端子は、コントローラ２００の端子部２１１にそれぞれ対応し、回路基板４００の表面４０１に形成されたランド４１１、回路基板４００内部に形成されたビア等を介してセンサ素子１００の対応する各端子部１１４にそれぞれ接続される。一方、センサ素子１００の第１の層１１１には、各端子部１１４と、上記駆動電極、検出電極及び参照電極をそれぞれ構成する下部電極層及び上部電極層とを電気的に接続する配線パターンがそれぞれ形成されている。

Ｇｏ１端子は、自励発振回路２０１の出力端に接続されている。自励発振回路２０１は、駆動電極３０１、３０２を駆動するための１つの駆動信号（交流信号）を生成する。Ｇｏ２端子は、反転アンプ２０２を介して自励発振回路２０１の出力端に接続されている。反転アンプ２０２は、自励発振回路２０１にて生成された駆動信号の位相を反転させる。これにより、第１の駆動電極３０１と第２の駆動電極３０２とは、同一の駆動信号で相互に逆位相で伸縮される。Ｖref端子は、所定の基準電位に接続されている。基準電位は、グラウンド電位でもよいし、一定のオフセット電位でもよい。あるいはＶref端子には、各駆動電極３０１，３０２の上部電極層に入力される駆動信号とは逆位相の駆動信号が入力されてもよい。

ＧFB端子、Ｇｘｙ１端子、Ｇｘｙ２端子、Ｇｘｙ３端子、Ｇｘｙ４端子、Ｇｚ１端子及びＧｚ２端子はそれぞれ演算回路２０３の入力端に接続されている。演算回路２０３は、Ｘ軸まわりの角速度信号を生成するための第１の差分回路と、Ｙ軸まわりの角速度信号を生成するための第２の差分回路と、Ｚ軸まわりの角速度信号を生成するための第３の差分回路とを有する。検出電極７１ａの出力をｘｙ１、検出電極７２ｂの出力をｘｙ２、検出電極７１ｂの出力をｘｙ３、検出電極７２ａの出力をｘｙ４、検出電極５１ａの出力をｚ１、そして、検出電極５１ｂの出力をｚ２とする。このとき、上記第１の差分回路は、（ｘｙ１＋ｘｙ２）−（ｘｙ３＋ｘｙ４）を演算し、その演算値を検波回路２０４ｘへ出力する。上記第２の差分回路は、（ｘｙ１＋ｘｙ４）−（ｘｙ２＋ｘｙ３）を演算し、その演算値を検波回路２０４ｙへ出力する。そして、上記第３の差分回路は、（ｚ１−ｚ２）を演算し、その演算値を検波回路２０４ｚへ出力する。
すなわち本実施形態の角速度センサは、ａ軸に平行はＹ軸まわりの角速度と、ｂ軸に平行なＸ軸まわりの角速度とを出力する。

検波回路２０４ｘ、２０４ｙ、２０４ｚは、自励発振回路２０１からの駆動信号の出力あるいは参照信号に同期して上記差分信号を全波整流し、直流化する。平滑回路２０５ｘ、２０５ｙ、２０５ｚは、検波回路の出力を平滑化する。平滑回路２０５ｘから出力される直流電圧信号ωｘは、Ｘ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。また、平滑回路２０５ｙから出力される直流電圧信号ωｙは、Ｙ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。さらに、平滑回路２０５ｚから出力される直流電圧信号ωｚは、Ｚ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。すなわち、基準電位Ｖrefに対する上記直流電圧信号ωｘ、ωｙ、ωｚの大きさが角速度の大きさに関する情報に相当し、当該直流電圧の極性が角速度の方向に関する情報に相当する。

［角速度センサの作用］
以上のように本実施形態の角速度センサ１は、振動子部１０１の複数の振動部をＸＹ平面内で平行でない２つの方向に駆動させることで、ＸＹ平面に平行な所定の２軸（Ｘ，Ｙ軸）回りの角速度と、ＸＹ平面と直交するＺ軸回りの角速度とをそれぞれ検出する。すなわち角速度センサ１は、Ｚ軸回りの角速度を、ＸＹ平面内で振動する振動子部１０１から出力される信号に基づいて検出する。これにより振動子の長手方向を必ずしも検出する回転の回転軸方向とする必要がなくなるため、垂直方向（厚み方向）の軸回りの角速度を検出する場合であっても、垂直方向に合わせて振動子の長手方向を配置する必要がなくなる。このため、センサの厚み寸法を大きくすることなく、厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することができ、さらにセンサの薄型化を実現することが可能となる。

また、本実施形態に係る角速度センサ１は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステム等の電子機器に内蔵され、手振れ検知や動作検知、方向検知等のためのセンサ部品として広く用いられる。特に、本実施形態によれば、センサの小型化、薄型化を図ることができるため、電子機器の小型化、薄型化等に対する要求にも十分に応えることが可能である。

さらに本実施形態の角速度センサ１は、外部回路に実装するために四角形のパッケージに収められる。この形態ではパッケージの四角形の辺に平行な方向の軸回りの角速度を出力することが一般的である。このような場合、ａｂ軸に平行な軸回りの角速度を出力できる本実施の形態を用いれば、パッケージの大きさを小さくすることができる。

また以上のように構成される本実施形態の角速度センサ１においては、Ｘ軸方向の角速度及びＹ軸方向の角速度を高精度に検出することができるため、これらから簡単な演算によりＸＹ平面内の任意の方向の軸回りの角速度を出力することが可能である。

同様に、ａ軸、ｂ軸に対しａｂ平面内で４５°回転したＸ軸方向の角速度及びＹ軸方向の角速度を高精度に検出することができる。従ってこれらから簡単な演算によりａｂ（ＸＹ）平面内の任意の方向の軸回りの角速度を出力することが可能である。

［センサ素子の製造方法］
次に、センサ素子１００の製造方法について説明する。

図１２（Ａ）〜（Ｅ）は、センサ素子１００の製造方法を説明する概略的な工程フローである。

まず、図１２（Ａ）に示すように第１の層１１１及び第２の層１１２を、接合層１１３を介して接合したＳＯＩ基板を準備する。第１及び第２の層１１１，１１２は、いずれもシリコン基板が用いられる。第１の層１１１は、振動子部１０１の厚み（例えば１００μｍ）と同等のシリコン基板が用いられるが、第２の層１１２の厚みは特に限定されず、典型的には、第１の層１１１よりも大きな厚み（例えば３００μｍ）のシリコン基板が用いられる。これにより、ハンドリング性が向上し、取り扱いを容易にすることができる。

接合層１１３は第１の層１１１又は第２の層１１２の表面に形成された熱酸化膜で、その厚みは例えば１μｍである。第１及び第２の層１１１，１１２は、例えば陽極接合法等によって相互に接合される。第１の層１１１の表面には、熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜Ｄ１が形成される。

次に図１２（Ｂ）に示すように、第１の層１１１の表面に圧電機能層６００が形成される。圧電機能層６００は、駆動電極や検出電極、参照電極等に対応し、図１５に示すように下部電極層６０１、圧電層６０２及び上部電極層６０３の積層構造を有する。

下部電極層６０１、圧電層６０２及び上部電極層６０３はそれぞれスパッタリング法、ＣＶＤ法等の適宜の成膜方法を用いて順次成膜される。その後、最上層から順に所定形状に各層がパターニングされる。上部電極層６０３のパターニングには例えばイオンミリング法が適用され、例えば図６に示したような各電極に対応するパターンに形成される。圧電層６０２のパターニングには例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法が用いられる。下部電極層６０１のエッチングには例えばウェットエッチング法が用いられ、例えば図１３に示すようなパターンＰに形成される。なお上部電極層６０３の電極パターンは、上記パターンＰの領域内に形成される。

圧電機能層６００の形成後、必要に応じて圧電層６０２の回復アニールを実施する。次に、圧電機能層６００を保護するための保護層（図示略）を形成した後、当該保護層の上に端子部１１４と各圧電機能層６００の上部電極層６０３と下部電極層６０１との間を接続する配線パターンを第１の層１１１の表面にそれぞれ形成する。配線パターンの一例を図１４に示す。

図１４は、検出電極５１ａと検出電極７２ａとを含むセンサ素子１００の要部の拡大平面図である。図１５は、図１４における［Ａ］−［Ａ］線方向の断面図である。配線パターンＣは、センサ素子１００のベース部８１と振動子部１０１との間を連結する連結部８２の表面に沿って形成される（図５、図１４）。配線パターンＣは、圧電機能層６００を被覆する保護層６０４の表面に形成される。保護層６０４には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜が用いられる。各配線と電極との層間の接続にはビアが用いられる。

配線パターンＣのうち、配線Ｃ１は、振り子部２２ａに形成された検出電極７２ａの上部電極層に接続される。配線Ｃ２は、ビアＢ２を介して、接続部１３ｄ周辺の梁１１ａ及び梁１２ｂに形成された検出電極５１ａの上部電極層に接続される。配線Ｃ３は、ビアＢ３を介して、梁１１ａに形成された駆動電極３０１の上部電極層に接続される。駆動電極３０１の下部電極層には、配線Ｅ１がビアＢ４を介して接続される。

Ｚ軸回りの角速度検出用の検出電極５１ａ，５１ｂは、フレーム１０の四隅（接続部）周辺に形成される。本実施形態では図１４及び図１５に示すように、梁１１ａ上の検出電極５１ａと梁１２ｂ上の検出電極５１ａの上部電極層が共通の電極層５１０で形成される。これにより、各梁の電極層ごとに配線を引き出す必要がなくなるため、配線数を削減することができる。

またこの場合、振り子部２２ａ上の検出電極７２ａに接続される配線Ｃ１は、梁１１ａ，１２ｂ上の検出電極５１ａを連絡する電極層５１０と交差させる必要が生じる。本実施形態では、保護層６０４を検出電極５１ａの電極層５１０と配線Ｃ１との間の層間絶縁膜として利用し、配線Ｃ１と電極層５１０とを立体的に交差させることで、これらの電気的短絡を防止する。他の接続部１３ａ〜１３ｃにおける検出電極５１ａ，５１ｂに関しても上述と同様に構成される。

配線パターンＣの形成後、端子部１１４と配線パターンＣを分極用配線として利用した圧電機能層６００の分極処理が行われる。図１６は、分極処理工程を説明する配線図である。本実施形態では、分極用配線ｄ１を介して各圧電機能層６００の上部電極層６０３に正電圧が印加され、分極用配線ｄ２を介して下部電極層６０１に負電圧が印加される。下部電極層６０１の配線パターンは領域ごとに分離しているため、図１６に示すように電極パターンＰの各部を相互に接続する接続配線ｄ３が設けられる。

接続配線ｄ３は、中央に位置する環状パターン部Ｐ１と周囲の駆動電極用のパターン部Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４及びＰ５とを各々接続するように形成される。これにより電極パターンＰの各領域を同電位にすることができ、また電極パターンＰの各領域に独立した分極用配線を引き回す必要がなくなるため配線数を削減することができる。

接続配線ｄ３は、例えば各パターン部Ｐ１〜Ｐ５に連絡するコンタクトホール（図示略）を介して保護層６０４の表面に形成される。接続配線ｄ３は分極処理用に一時的に形成されるものであるため、分極処理後は例えばウェットエッチングにより除去される。この場合、配線パターンＣとは異なる金属材料で接続配線ｄ３を形成することで、接続配線ｄ３のエッチング除去時に高い選択性をもって接続配線ｄ３を除去することができる。

続いて図１２（Ｃ）に示すように、第１の層１１１をその厚み全域にわたってエッチングすることで振動子部１０１の外形を形成する。第１の層１１１の加工には例えばフッ素プラズマによるドライエッチング（ＲＩＥ）が適用可能である。このとき、シリコン酸化膜からなる接合層１１３は、エッチングストッパ層として機能する。

次に１２（Ｄ）に示すように、第２の層１１２を枠状にエッチング加工する。これにより、振動子部１０１が第２の層１１２側から露出される。第２の層１１２の加工には例えばフッ素プラズマによるドライエッチング（ＲＩＥ）が用いられ、この場合も接合層１１３がエッチングストッパ層として用いられる。

続いて図１２（Ｅ）に示すように、振動子部１０１及び連結部８２直下の接合層１１３がウェットエッチングにより除去される。これによりセンサ素子１００が作製される。エッチング液には例えばフッ化アンモニウム水溶液が用いられる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、回路基板４００に対してセンサ素子１００及びコントローラ２００がいわゆるフリップチップ方式で実装されたが、これに代えて、ワイヤボンディング方式で実装されてもよい。この場合、端子部１１４、２１１はカバー５００の天面側に向けられて回路基板上に固定される。

また以上の実施形態では、センサ素子１００の振動子部１０１がフレーム１０と振り子部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂで構成されるとともに、センサ素子１００の枠体がベース部８１と連結部８２で構成される例を説明した。これに代えて、各振り子部を支持するフレームを直接回路基板上に実装してもよい。この場合、当該フレームは上記枠体に対応する。このとき、当該フレームは振り子部とともに振動してもよいし、振動しなくてもよい。

１…角速度センサ
１０…フレーム
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ…振り子部
５１ａ，５１ｂ、７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂ…検出電極
８１…ベース部
８２…連結部
１００…センサ素子
１０１…振動子部
１０２…枠体
２００…コントローラ
３０１，３０２…駆動電極
４００…回路基板
４０３…収容部
５００…カバー

Claims (17)

1. 第１の面内において平行でない２つの方向に同一の駆動信号で駆動される複数の振動部を含む振動子部と、前記振動子部を支持する枠体とを有し、前記第１の面内における所定の２方向に沿った第１及び第２の軸回りの角速度と、前記第１の面と直交する方向に沿った第３の軸回りの角速度とに応じた信号を生成するセンサ素子と、
   前記駆動信号を出力する自励発振回路と、前記角速度各々に応じた信号に基づいて前記第１、第２及び第３の軸回りの角速度を出力する検出回路とを有するコントローラと、
   前記センサ素子と前記コントローラとが実装される回路基板と
   を具備する角速度センサ。
2. 請求項１に記載の角速度センサであって、
   前記振動子部は、前記第１の面内で第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームを含み、
   前記センサ素子は、
   前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームの前記第１の梁の組と前記第２の梁の組を、前記第１の面内において平行でない２つの方向に振動させる駆動部と、
   前記振動モードで振動する前記フレームの前記第１の面内における変形に基づいて、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に沿った前記第３の軸回りの角速度を検出する第１の検出部とをさらに有する
   角速度センサ。
3. 請求項２に記載の角速度センサであって、
   前記振動子部は、
   前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第１の振り子部と、
   前記第１の面内において前記第１、第２及び第４の方向と交差する第５の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第２の振り子部と、
   前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形に基づいて、前記第１の面内における前記第１及び第２の方向の軸回りの角速度を検出する第２の検出部とをさらに有する
   角速度センサ。
4. 請求項１に記載の角速度センサであって、
   前記回路基板は、
   前記センサ素子と前記コントローラとがそれぞれ実装される第１の面と、
   前記角速度センサを外部の基板に実装するための外部接続端子を有する第２の面と、
   前記コントローラと前記外部接続端子との間を電気的に接続するビアとを有する
   角速度センサ。
5. 請求項４に記載の角速度センサであって、
   前記センサ素子を覆うように前記第１の面に固定される遮光性のカバーをさらに具備する
   角速度センサ。
6. 請求項４に記載の角速度センサであって、
   前記枠体は、前記第１、第２及び第３の軸回りの角速度に応じた信号を前記回路基板を介して前記コントローラへ出力するための、前記第１の面と電気的に接続される複数の端子部を有する
   角速度センサ。
7. 請求項６に記載の角速度センサであって、
   前記枠体は、前記振動子部の外側を囲む略四角形の枠状のベース部をさらに有し、
   前記複数の端子部は、前記ベースの相互に対向する２辺上にそれぞれ形成される
   角速度センサ。
8. 請求項６に記載の角速度センサであって、
   前記コントローラは、第１の高さを有する略直方体形状のＩＣ部品で構成され、
   前記回路基板は、前記第１の面に形成され前記ＩＣ部品を収容可能な、前記第１の高さ以上の第２の高さを有する収容部をさらに有する
   角速度センサ。
9. 請求項８に記載の角速度センサであって、
   前記枠体は、前記複数の端子部が形成され前記振動子部の外側を囲む略四角形の枠状のベース部をさらに有し、
   前記ベース部は、前記収容部を跨いで前記第１の面に実装される
   角速度センサ。
10. 請求項７に記載の角速度センサであって、
    前記枠体は、前記ベース部と前記接続部との間を連結する変形可能な連結部をさらに有する
    角速度センサ。
11. 請求項２に記載の角速度センサであって、
    前記センサ素子は、前記フレームに形成され前記振動子部を前記駆動信号で駆動するための圧電駆動層をさらに有する
    角速度センサ。
12. 請求項３に記載の角速度センサであって、
    前記第１の検出部は、前記フレームに形成され前記角速度に応じた信号を生成する第１の圧電検出層を含む
    角速度センサ。
13. 請求項１２に記載の角速度センサであって、
    前記第２の検出部は、前記第１及び第２の振り子部に形成され前記角速度に応じた信号を生成する第２の圧電検出層を含む
    角速度センサ。
14. 請求項１３に記載の角速度センサであって、
    前記第１及び第２の圧電検出層はそれぞれ、前記振動子部上に形成された第１の電極層と、前記第１の電極層上に形成された圧電層と、前記圧電層上に形成された第２の電極層とを有する
    角速度センサ。
15. 請求項１４に記載の角速度センサであって、
    前記センサ素子は、
    前記第１の圧電検出層の前記上部電極に接続される第１の配線と、
    前記第２の圧電検出層の前記上部電極に接続される第２の配線と、
    前記第１の配線と前記第２の配線との間に形成された層間絶縁層とをさらに有する
    角速度センサ。
16. 請求項１に記載の角速度センサであって、
    前記センサ素子は、シリコン基板で形成された第１の層と、前記第１の層に接合されシリコン基板で形成された第２の層とを有し、
    前記振動子部及び前記枠体は、前記第１の層を形成する
    角速度センサ。
17. 請求項１６に記載の角速度センサであって、
    前記センサ素子は、前記第１の層と電気的に接続される接地用端子を有し、
    前記回路基板は、前記接地用端子と電気的に接続され前記第１の層を所定の接地電位に接続するランド部を有する
    角速度センサ。

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