JP5050590B2

JP5050590B2 - 角速度センサ及び電子機器

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Publication number: JP5050590B2
Application number: JP2007067641A
Authority: JP
Inventors: 順一本多; 和夫高橋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: JP2008224630A

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や、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し、詳しくは、音叉型の振動アームを有する小型の角速度センサ、角速度センサの製造方法及び電子機器に関する。

従来より、民生用の角速度センサとしては、片持ちや両持ちの振動音片型振動子や、音叉型振動子を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって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、いわゆる振動型のジャイロセンサ（以下、振動型ジャイロセンサと呼ぶ。）が、広く使用されている。

振動型ジャイロセンサは、単純な機構、短い起動時間、安価で製造可能といった利点を有しており、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、方向検知などをする際のセンサとして活用されている。

振動型ジャイロセンサは、搭載される電子機器の小型化、高性能化に伴い、小型化、高性能化が要求されている。例えば、電子機器の多機能化のため、他の用途で用いる各種センサと組み合わせて、振動型ジャイロセンサを一基板上に搭載させ、小型化を図るといった要請がある。

従来は、振動子としてＰＺＴなどの圧電材料を機械加工による薄片状に加工し、バネなどで保持し、電気信号を加えて振動させる構成のジャイロセンサが一般的であったが、小型化が難しかった。そこで、例えば基板にＳｉを使い、ＰＺＴをスパッタやゾルゲルなどで基板上に薄膜として形成し、さらに基板の所定部分に対するエッチングを行い、断面が方形状の４角柱の振動子を薄膜技術により一枚の基板から同時に多数個形成する技術が開発されている。

角速度を検出する振動子の形状としては、片持ち振動子、両持ち振動子などがあるが、ジャイロセンサはコリオリ力による微小な歪を検出する必要があるため、外部振動などに干渉を受けない構成が有利であり、片持ち振動子を並べた音叉型が開発されてきている（例えば特許文献１参照）。
特開平７−８３６７１号公報（図２参照）

特許文献１に示されたジャイロのように、３本の振動子の駆動に供する電極にそれぞれ電圧を印加する際、３本の振動子の駆動電極が仮に同じ面積で同じ位置に配置されているとすると、中央の振動子に対して、両側の振動子も同等の動作をする虞があり、振動のバランスがくずれ、振動子３本間でのモーメントのバランスが吊り合わず、３本の振動子から外部に振動の漏れが発生したり、ノイズ特性などが劣化する場合がある。

更に、駆動電極を供する電源に対しても、振動量と電極面積のバランスがくずれ、例えば駆動電力を与えた以上に共鳴動作により振動子の振動量が増えるような場合は振動子の振動により発生する電荷が電源に戻ってしまいノイズを発生することもある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、簡単な構成で外部に対して振動が漏れることがなく、ノイズ特性が良好な角速度センサ、角速度センサの製造方法及び電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る角速度センサは、第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域に隣接するように第２のアーム領域が設けられた非圧電材料からなる基板と、前記基板上の前記第１のアーム領域に形成された第１の駆動用下層電極と、前記基板上の前記第２のアーム領域に形成された第２の駆動用下層電極と、前記第１の及び第２の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第１の駆動用上層電極と、前記圧電薄膜を挟んで第２の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第２の駆動用上層電極と、前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、前記第１の駆動用上層電極、前記第１の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第１の駆動領域の面積及び位置に対して、前記第２の駆動用上層電極、前記第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第２の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が前記第１のアーム領域の振動を打ち消すように規定されていることを特徴とする。

本発明では、第１の駆動用上層電極、第１の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第１の駆動領域の面積及び位置に対して、第２の駆動用上層電極、第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第２の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が第１のアーム領域の振動を打ち消すように規定されているので、つまり実質的な第２の駆動領域の面積や形成位置を第１のアーム領域の振動を打ち消すように規定するように構成しさえすればよいので、簡単な構成で外部に対して振動が漏れることがなく、ノイズ特性も良好となる。

前記第２のアーム領域は、前記第１のアーム領域を挟むように２つ設けられ、それぞれの前記第２のアーム領域に前記第２の駆動用上層電極、前記第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による第２の駆動領域が形成されていることがより好ましい。

本発明では、第２のアーム領域が第１のアーム領域を挟むように２つ設けられ、第１のアーム領域に対してこの２つの第２のアーム領域によって第１のアーム領域の振動を打ち消しているので、これらのアーム領域の振動によって回転モーメントが発生するようなことはなくなり、より正確な角速度の検出が可能となる。つまりアームを２本として一方を角速度を検出するためのアームとし、他方をそのアームの振動を打ち消すためのアームにする構成も本発明の範囲に含まれるものであるが、その場合には振動時にアーム間のバランスが悪く、回転モーメントが生じるおそれがある。これに対して、第２のアーム領域を第１のアーム領域を挟むように２つ設けられることで、このような回転モーメントが発生するようなことはなくなる。

その場合には、以下の形態が好ましい。
（１）第１の駆動領域とそれぞれの第２の駆動領域の形成位置をほぼ等しくして、第１の駆動領域とそれぞれの第２の駆動領域の面積比をほぼ２：１とする。
（２）第１の駆動領域とそれぞれの第２の駆動領域の面積をほぼ等しくして、それぞれの第２の駆動領域の形成位置を第１の駆動領域の形成位置よりも第１及び第２のアーム領域の基部からほぼ２倍離れさせる。
（３）第１及び第２のアーム領域の基部から先端部までを三等分し、第１のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの第１の駆動領域の面積を基部から順番にＳｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃとし、第２のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの第２の駆動領域の面積を基部から順番にＳｓａ、Ｓｓｂ、Ｓｓｃとし、更にＳｃ＝４×Ｓｃａ＋２×Ｓｃｂ＋１×Ｓｃｃ、Ｓｓ＝４×Ｓｓａ＋２×Ｓｓｂ＋１×Ｓｓｃとしたとき、ＳｃとＳｓとの比をほぼ２：１とする。

本発明の別の観点に係る角速度センサの製造方法は、第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域に隣接するように第２のアーム領域が設けられた非圧電材料からなる基板を形成する工程と、前記基板上の前記第１のアーム領域に第１の駆動用下層電極及び前記第２のアーム領域に第２の駆動用下層電極をそれぞれ形成する工程と、前記第１の及び第２の駆動用下層電極上に圧電薄膜を形成する工程と、前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように第１の駆動用上層電極、前記圧電薄膜を挟んで第２の駆動用下層電極と対向するように第２の駆動用上層電極及び前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように一対の検出電極を前記圧電薄膜上に形成する工程とを具備し、前記第１の駆動用上層電極、前記第１の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第１の駆動領域の面積及び位置に対して、前記第２の駆動用上層電極、前記第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第２の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が前記第１のアーム領域の振動を打ち消すように規定されているを具備する。

本発明の更に別の観点に係る電子機器は、第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域に隣接するように第２のアーム領域が設けられた非圧電材料からなる基板と、前記基板上の前記第１のアーム領域に形成された第１の駆動用下層電極と、前記基板上の前記第２のアーム領域に形成された第２の駆動用下層電極と、前記第１の及び第２の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第１の駆動用上層電極と、前記圧電薄膜を挟んで第２の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第２の駆動用上層電極と、前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、前記第１の駆動用上層電極、前記第１の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第１の駆動領域の面積及び位置に対して、前記第２の駆動用上層電極、前記第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第２の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が前記第１のアーム領域の振動を打ち消すように規定されている角速度センサと、前記角速度センサを搭載する機器本体とを具備する。

以上のように、本発明によれば、簡単な構成で外部に対して振動が漏れることがなく、簡単な構成で外部に対して振動が漏れることがなく、ノイズ特性も良好になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の一実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図、図２はその概略側面図、図３は図１のＡ−Ａ断面図である。

これらの図に示すように、角速度センサ１００は、第１のアーム領域１１１及び第１のアーム領域１１１の両側に隣接するように第２のアーム領域１１２、１１３が設けられた非圧電材料（例えばＳｉ）からなる基板１１０と、基板１１０上の第１のアーム領域１１１に形成された第１の駆動用下層電極１２１と、基板１１０上の各第２のアーム領域１１２、１１３に形成された第２の駆動用下層電極１２２、１２３と、第１の及び第２の駆動用下層電極１２１、１２２、１２３上にそれぞれ形成された圧電薄膜１３１、１３２、１３３と、圧電薄膜１３１を挟んで第１の駆動用下層電極１２１と対向するように圧電膜薄膜１３１上に形成された第１の駆動用上層電極１４１と、各圧電薄膜１３２、１３３を挟んで各第２の駆動用下層電極１２２、１２３と対向するように圧電膜薄膜１３２、１３３上に形成された第２の駆動用上層電極１４２、１４３と、第１の駆動用上層電極１４１を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極１５１、１５２とからその主要部が構成される。

基板１１０は、図中Ｘ方向に幅広でＺ方向が厚い固定部１１４と、この固定部１１４の一辺に配設されたＸ方向に幅狭でＺ方向が薄い駆動部保持部１１５と、この駆動部保持部１１５の先端側に配設され、駆動部保持部１１５より幅広で固定部１１４より幅狭で駆動部保持部１１５と同厚の駆動部１１６とを有する。

駆動部１１６は、駆動部本体と１１７と、駆動部本体１１７の先端側から突出した３本の上記第１のアーム領域１１１及び第２のアーム領域１１２、１１３とを有する。第１のアーム領域１１１及び第２のアーム領域１１２、１１３は、例えば長さと幅と厚さが等しく、例えば第１のアーム領域１１１と第２のアーム領域１１２との間隔と、第１のアーム領域１１１と第２のアーム領域１１３との間隔は、等しくされている。

各第１のアーム領域１１１及び第２のアーム領域１１２、１１３の基部（駆動部本体１１７と連結した部分）において、上記の各電極１２１、１２２、１２３、１４１、１４２、１４３、１５１、１５２は、それぞれ別個のリード線１６１〜１６８に接続されている。これらのリード線１６１〜１６８は、駆動部保持部１１５表面を通り固定部１１４表面に設けられた各リード端子１７１〜１７８に接続されている。リード端子１７１〜１７８は、固定部１１４表面のＸ方向両端にそれぞれ４個づつ設けられている。

この実施形態では、第１の駆動用上層電極１４１、第１の駆動用下層電極１２１及びこれらに挟まれる圧電薄膜１３１による実質的な第１の駆動領域の面積Ｓ１とし、第２の駆動用上層電極１４２、１４３、第２の駆動用下層電極１２２、１２３及びこれらに挟まれる圧電薄膜１３２、１３３による実質的な第２の駆動領域の面積Ｓ２、Ｓ３としたとき、
Ｓ１：Ｓ２（＝Ｓ３）＝２：１
とされている。

ここで、「実質的な駆動面積」とは、図４に示すように、例えば第１の駆動用上層電極１４１の面積が圧電薄膜１３１の面積及び第１の駆動用下層電極１２１の面積よりも狭い場合には、第１の駆動用上層電極１４１の面積が「実質的な駆動面積」となる。また、図５に示すように、例えば圧電薄膜１３１の面積が第１の駆動用上層電極１４１の面積及び第１の駆動用下層電極１２１の面積よりも狭い場合には、圧電薄膜１３１の面積が「実質的な駆動面積」となる。図６に示すように、例えば第１の駆動用下層電極１２１の面積が圧電薄膜１３１の面積及び第１の駆動用上層電極１４１の面積よりも狭い場合には、第１の駆動用下層電極１２１の面積が「実質的な駆動面積」となる。なお、図５及び図６に示したような構成の場合には、面積が狭い部位にはスペーサ１８１を配置して平坦性を保つようにした方がより好ましい。

この実施形態では、上記の図４に示した構成を採用している。すなわち、図７に示すように、第１の駆動用上層電極１４１の幅W１と第２の駆動用上層電極１４２、１４３の幅W2とを等しくして、第１の駆動用上層電極１４１の長さL1を第２の駆動用上層電極１４２、１４３の長さL２の２倍とすることで、Ｓ１：Ｓ２（＝Ｓ３）＝２：１を実現していいる。

このように構成された角速度センサ１００では、中央の第１のアーム領域１１１がコリオリ力を検出するための振動子として機能し、両側の第２のアーム領域１１２、１１３は第１のアーム領域１１１の振動を抑制する振動子として機能する。つまり、３本の振動子を使って、コリオリ力を検出しつつ、振動を抑制し、振動漏れが発生しないようにしている。より具体的には、中央の振動子と両側の振動子を位相を逆に動作させる。

ここで、中央の振動子を両側２本の振動子の２倍の振動量になるように動作させると３本の振動子内で動作モーメントが吊り合い、外部に対して振動が漏れることがなくなり、その効果として振動が外部環境などに対して安定化する動作が可能となる。

しかし、例えば３本の振動子の駆動に供する電極にそれぞれ電圧を印加する際、３本の振動子が類似の形状を持つ振動子である場合で同じ面積で駆動電極の配置を行うときには、中央の振動子に対して、両側の振動子も同等の動作をする虞があり、振動のバランスがくずれ、振動子３本間でのモーメントのバランスが吊り合わず、３本の振動子から外部に振動が漏れ、ノイズ特性などが劣化する場合がある。更に、駆動電源を供する電源に対しても、振動量と電極面積のバランスがくずれ、例えば駆動電力を与えた以上に共鳴動作により振動子の振動量が増えるような場合は振動子の振動により発生する電荷が電源に戻ってしまいノイズを発生することもある。

そこで、本実施形態に係る角速度センサ１００では、図８に示すように、３本の振動子Ａ、Ｂ、Ｃの駆動量を両側の振動子Ｂ、Ｃが中央の振動子Ａの半分の振幅となるよう、それぞれの振動子Ａ、Ｂ、Ｃに配置する駆動電極（駆動領域）の面積を最適化するものである。すなわち、本実施形態に係る角速度センサ１００では、既に説明したとおり図７に示した構成としている。このような構成では、図９に示すように、コリオリ力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３が加わった場合にも、動作モーメントは横方向、縦方向どうしは相殺され、さらに３本の振動子Ａ、Ｂ、Ｃの中心を軸として発生する回転モーメントも図９では楕円運動の横方向を強調して描いているが、実質使用する際の角速度領域では横方向の力は小さいため、両側の振動子Ｂ、Ｃにより発生する回転モーメントは殆ど相殺し合うが、図９の場合では右回りのモーメントが若干発生し、さらに中央の振動子からのモーメントも中心からの距離が小さいのでモーメントとしてはやはり小さいが右回りのモーメントを発生し、若干モーメントは残る。ただし、例えば横方向に振動を励起した場合に比べると回転モーメント量は小さい。

なお、このような角度センサ１００は例えば以下の工程を経て製造される。
まず、基板１１０の全面に下層電極を形成する。次に、その上部に圧電薄膜をスパッタ（またはゾルゲル）により全面に形成する。次に、上層電極もその上に全面に形成する。その後上層電極をエッチングし、各振動子の駆動電極と中央の振動子には検出電極となるよう形状形成する。更に、不要な圧電薄膜もエッチングで除去し、下層電極も不要部を除去した後、各駆動、検出電極に対する上層と下層電極をそれぞれ信号取り出しを行うためのランドまで配線を形成する。その後振動子の外形を決めるための基板１１０のエッチングを行って振動子を形成する。

（第２の実施の形態）
角速度センサにおける振動子の駆動の効果は、駆動電極の場所により振動子駆動に寄与する効率が異なる。図１０に示すように、振動子Ｄ、Ｅ、Ｆを長手方向に根元部エリアＺａと中央エリアＺｂと先端エリアＺｃとに３等分した場合、駆動電極Ｇの場所が根元部エリアＺａと中央エリアＺｂと先端エリアＺｃとでは、図１１に示すように、Ｚａ：Ｚｂ：Ｚｃは４：２：１の寄与となる。図１１において、その寄与として、各振動子Ｄ、Ｅ、Ｆの先端の振動量で表している。

図１２はこの点を着目した第２の実施形態に係る角度センサにおける駆動部の構成を示す図である。
図１２に示すように、この駆動部１１６においては、３本の振動子Ａ、Ｂ、Ｃの駆動電極Ｇの面積を等しくして、それぞれの振動子Ｂ、Ｃの駆動電極Ｇの形成位置を振動子Ａの電極Ｇの形成位置よりも振動子Ａ、Ｂ、Ｃの基部から２倍離れさせている。なお、図１２において、上記の第１の実施形態に係る角速度センサと同一の要素には同一の符号を付してある。また、図１２においては、駆動部１１６について記載しているが、他の部位については上記の第１の実施形態に係る角速度センサと同一の構成とすることができる。

この実施形態に係る角速度センサにおいても、３本の振動子Ａ、Ｂ、Ｃの駆動量を両側の振動子Ｂ、Ｃが中央の振動子Ａの半分の振幅となるようにしているので、コリオリ力を検出しつつ、振動を抑制し、振動漏れが発生することはない。

（第３の実施の形態）
３本の振動子Ａ、Ｂ、Ｃに対して同じ幅で駆動電極Ｇの形成を行い、長さを同じにした角速度センサＨ、中央振動子Ａの駆動電極Ｇの長さに対して両側の振動子Ｂ、Ｃの電極Ｇの長さを半分にした角速度センサＩを作成した。

その結果、図１３に示すように、ＨではＩに比べ振動子を保持する固定部１１４（図１参照）での振動が大きくなっており、角速度センサの拘束状態の変動により出力の変動が見られた。また、図１４に示すように、ノイズ、応答性についてもバラツキが大きくなり、振動が不安定となっている結果となった。さらに、中央の振動子Ａの検出電極１５１、１５２の形状を根元側に配置する割合を増やすために根元側の幅を広げ、その代わりに駆動電極Ｇについては、根元部の幅を狭くした構成を持つ振動子を作成したところ、３本の振動子間の振動バランスがずれたことが確認された。

そこで、駆動電極Ｇの位置を振動子の固定端と自由端を結ぶ長さ方向に沿って３分割し、その各部に駆動部を配置して振動量を確認したところ、根元部に配置した際の振動量を１とした場合に、中央部は１／２、自由端に近い先端部は１／４の振動量となることが判明し、さらに幅方向については幅に単に比例して振幅が大きくなることが判明した。

ここで、各部の振動寄与効率分を考慮して、各振動子Ａ、Ｂ、Ｃに配置する駆動電極Ｇの面積を３分割し、その３分割した範囲内の面積に、先端は１、中央は２、根元は４の係数を掛けた面積の和の中央と両端の比率が２：１になるような構成としたところ、各振動子Ａ、Ｂ、Ｃで駆動電極Ｇの幅が異なる場合や、３角形や台形など長方形以外の各種駆動電極Ｇの形状で形成せざるを得ない場合にも中央の振動子Ａと両端の振動子Ｂ、Ｃが２：１となる振動が形成され、振動が振動子内で収まり、外部の振動に対しても影響を受けにくい角速度センサが構成できた。

図１５はこの点に着目した第３の実施形態に係る角度センサにおける駆動部の構成を示す図である。
図１５に示すように、この駆動部１１６においては、それぞれの振動子Ａ、Ｂ、Ｃの基部から先端部までを三等分し、振動子Ａの基部から先端部まで三等分したそれぞれの駆動電極Ｇの面積を基部から順番にＳｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃとし、振動子Ｂ、Ｃの基部から先端部まで三等分したそれぞれの駆動電極Ｇの面積を基部から順番にＳｓａ、Ｓｓｂ、Ｓｓｃ（ここではＳｓｃは存在しない）とし、更にＳｃ＝４×Ｓｃａ＋２×Ｓｃｂ＋１×Ｓｃｃ、Ｓｓ＝４×Ｓｓａ＋２×Ｓｓｂ＋１×Ｓｓｃとしたとき、ＳｃとＳｓとの比を２：１としている。

この実施形態に係る角速度センサにおいても、同様に３本の振動子Ａ、Ｂ、Ｃの駆動量を両側の振動子Ｂ、Ｃが中央の振動子Ａの半分の振幅となるようにしているので、コリオリ力を検出しつつ、振動を抑制し、振動漏れが発生することや外部からの振動の影響をうけることはない。

（第４の実施の形態）
図１６はこの実施形態に係る駆動部１１６の構成を示す図である。
図１６に示すように、この駆動部１１６では、各振動子Ａ、Ｂ、Ｃの長手方向の長さ（アームの長さ）Ｌ４（全て等しい）に対して、各振動子Ａ、Ｂ、Ｃの駆動電極Ｇの長手方向の長さＬ５（全て等しい）が０．２〜０．４、より好ましくは０．２５とされている。

ここで、図１７に示すように、駆動電極Ｇが長い場合ドライブ電流が増え、短すぎる場合振幅を増やすために交流電圧が増加する。これは、駆動電極の長さに対してインピーダンスは反比例する。つまり駆動用の交流電圧が一定の場合流れる電流値は電極の長さと比例関係がある。一方検出信号と電極の長さは比例関係にならずある長さ以上になると検出信号は飽和してゆく。これは振動子の先端部についた圧電膜に交流信号を印加しても振動への変換効率が悪いためである。

そこで、図１８に示すように、最適点を電圧×電流の電力の観点で注目すると、振動子の長さに対して０．２５程度が最適になる駆動電極の長さであることがわかる。これは図の検出信号の傾きが調度１になるポイントである。振動子の長さに対しての比が０．２〜０．４になるように駆動電極長さに設計すると、アーム全面に電極をつけた場合の電力的に半分以下になることがわかる。例えば、この例では、振動子の長さが１９００μmであるが、一般に片持ち梁や音叉型振動子が共振しで振動する場合のモードは一定であるため、動作電力を最小にする電極長さの全長に対しての比は同じになる。

すなわち、駆動電極の面積が増大するにしたがってインピーダンスが低下し駆動電極を通ってＩＣの端子に流れ込む電流が増加する。そのためにＩＣの設計として電流能力が十分に保てるように設計する必要が発生しＩＣに負担が掛かる。そこで、本実施形態によれば、振動子を動作させるためのＩＣ消費電力を低減する効率のよい振動子を提供することが可能となる。

（第５の実施の形態）
次に、上記実施形態の角速度センサ１００を備えたセンサモジュールを具備する電子機器について説明する。
図１９は第５の実施の形態に係る電子機器の斜視図、図２０は図１９の電子機器のブロック図である。
この電子機器は、例えばデジタルカメラ４００である。図１９に示すように、デジタルカメラ４００は、角速度センサ１００を備えたセンサモジュール５００と、センサモジュール５００を搭載する機器本体５０１とを備えている。機器本体５０１は、例えば、金属製、樹脂製などのフレームまたは筐体である。

図２０に示すように、デジタルカメラ４００は、センサモジュール５００と、制御部５１０と、レンズなどを備える光学系５２０と、ＣＣＤ５３０、光学系５２０に対して手振れ補正を実行する手振れ補正機構５４０とを有する。

センサモジュール５００によって、Ｘ方向及びＹ方向のコリオリ力が検出される。制御部５１０は、この検出されたコリオリ力に基づき手振れ補正機構５４０を使って光学系５２０で手振れの補正を行う。

図２１は図１９のセンサモジュール５００の分解斜視図である。
図２１に示すように、このセンサモジュール５００は、基板２０１と、上蓋３０１とを有する。
基板２０１は、小型化による微細パターンへの対応と、熱膨張に対する形状安定性の観点から、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミック材料が用いられる。

基板２０１には、角速度センサ１００と、駆動検出用ベアチップＩＣ２１４と、チップＣＲ部品２１５等が実装されている。角速度センサ１００は、基板２０１のＸ方向に沿った辺に沿うように配置されている。このＸ軸の角速度センサ１００の近傍に駆動検出用ベアチップＩＣ２１４が配置されている。角速度センサ１００は、基板２０１のＹ方向に沿った辺に沿うように配置されている。駆動検出用ベアチップＩＣ２１４は、基板２０１のほぼ中央に配置されている。

センサモジュール５００では、ＸＹの２軸に対する角速度センサを同一パッケージ内に実装している。この実施形態では、Ｘ軸検出用の角速度センサ１は、例えば３６ｋＨｚ付近、Ｙ軸検出用の角速度センサ１は、例えば３９ｋＨｚ付近の共振周波数でそれぞれ振動するように構成されている。これにより、デジタルカメラ４００がＸ軸、Ｙ軸の周りに回転するときの角速度を正確に検出することができる。

例えば、上記各実施の形態に係る角速度センサを搭載する電子機器としては、デジタルカメラの他に、例えば、ラップトップ型のコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子辞書、オーディオ／ビジュアル機器、プロジェクタ、携帯電話、ゲーム機器、カーナビゲーション機器、ロボット機器、その他の電化製品等が挙げられる。

本発明の一実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図である。図１に示した角速度センサの概略側面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。実質的な駆動面積を説明するための図である（その１）。実質的な駆動面積を説明するための図である（その２）。実質的な駆動面積を説明するための図である（その３）。図１に示した駆動部の拡大平面図である。図１に示した角速度センサの作用効果を説明するための３本の振動子の概略的斜視図である（その１）。図１に示した角速度センサの作用効果を説明するための３本の振動子の概略的斜視図である（その２）。第２の実施の形態に係る原理を説明するための振動子の概略的平面図である。第２の実施の形態に係る原理を説明するためのグラフである。第２の実施の形態に係る駆動部の概略的平面図である。第３の実施の形態に係る原理を説明するためのグラフである（その１）。第３の実施の形態に係る原理を説明するためのグラフである（その２）。第３の実施の形態に係る駆動部の概略的平面図である。第４の実施の形態に係る駆動部の概略的平面図である。第４の実施の形態に係る原理を説明するためのグラフである。第４の実施の形態に係る効果を説明するためのグラフである。第５の実施の形態の電子機器の斜視図である。図１９の電子機器のブロック図である。図１９のセンサモジュールの分解斜視図である。

符号の説明

１００角速度センサ
１１０基板
１１１第１のアーム領域
１１２、１１３第２のアーム領域
１２１第１の駆動用下層電極
１２２、１２３第２の駆動用下層電極
１３１、１３２、１３３圧電薄膜
１４１第１の駆動用上層電極
１４２、１４３第２の駆動用上層電極
１５１、１５２検出電極

Claims

第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域を挟むように線対称に２つの第２のアーム領域が設けられた基板と、
前記基板上の前記第１のアーム領域に形成された第１の駆動用下層電極と、
前記基板上の前記２つの第２のアーム領域に形成された２つの第２の駆動用下層電極と、
前記第１及び２つの第２の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された第１の駆動用上層電極と、
前記圧電薄膜を挟んで前記２つの第２の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された２つの第２の駆動用上層電極と、
前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、
前記第１のアーム領域の長さ、幅及び厚さは、前記第２のアーム領域の長さ、幅及び厚さとほぼ等しく、
前記第１の駆動用上層電極、前記第１の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる前記圧電薄膜による実質的な第１の駆動領域と、前記２つの第２の駆動用上層電極、前記２つの第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる前記圧電薄膜による２つの実質的な第２の駆動領域とは、前記第１及び第２のアーム領域の基部に対して同じ距離の位置から形成され、
前記第１の駆動領域及び前記第２の駆動領域の面積比がほぼ２：１であり、
電圧及び周波数がそれぞれ同じであり、それらの位相が逆である第１の駆動電圧及び第２の駆動電圧のうち、前記第１の駆動電圧が、前記第１の駆動用下層電極及び前記第１の駆動用上層電極の間に加えられ、前記第２の駆動電圧が、前記２つの第２の駆動用下層電極及び前記２つの第２の駆動用上層電極の間に加えられることにより、前記第１のアーム領域及び前記２つの第２のアーム領域が、前記圧電薄膜の形成面に垂直な方向に逆の位相で振動可能であり、
前記第１のアーム領域の振幅は、前記２つの前記アーム領域の振幅の２倍である
角速度センサ。
第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域を挟むように線対称に２つの第２のアーム領域が設けられた基板と、
前記基板上の前記第１のアーム領域に形成された第１の駆動用下層電極と、
前記基板上の前記２つの第２のアーム領域に形成された２つの第２の駆動用下層電極と、
前記第１及び２つの第２の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された第１の駆動用上層電極と、
前記圧電薄膜を挟んで前記２つの第２の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された２つの第２の駆動用上層電極と、
前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、
前記第１のアーム領域の長さ、幅及び厚さは、前記第２のアーム領域の長さ、幅及び厚さとほぼ等しく、
前記第１の駆動用上層電極、前記第１の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる前記圧電薄膜による実質的な第１の駆動領域の面積は、前記２つの第２の駆動用上層電極、前記２つの第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる前記圧電薄膜による２つの実質的な第２の駆動領域の面積とほぼ等しく、
前記第１及び第２のアーム領域の基部からの、それぞれの前記第２の駆動領域の形成位置の距離は、前記基部からの前記第１の駆動領域の形成位置の距離のほぼ２倍であり、
電圧及び周波数がそれぞれ同じであり、それらの位相が逆である第１の駆動電圧及び第２の駆動電圧のうち、前記第１の駆動電圧が、前記第１の駆動用下層電極及び前記第１の駆動用上層電極の間に加えられ、前記第２の駆動電圧が、前記２つの第２の駆動用下層電極及び前記２つの第２の駆動用上層電極の間に加えられることにより、前記第１のアーム領域及び前記２つの第２のアーム領域が、前記圧電薄膜の形成面に垂直な方向に逆の位相で振動可能であり、
前記第１のアーム領域の振幅は、前記２つの前記アーム領域の振幅の２倍である
角速度センサ。
第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域を挟むように線対称に２つの第２のアーム領域が設けられた基板と、
前記基板上の前記第１のアーム領域に形成された第１の駆動用下層電極と、
前記基板上の前記２つの第２のアーム領域に形成された２つの第２の駆動用下層電極と、
前記第１及び２つの第２の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された第１の駆動用上層電極と、
前記圧電薄膜を挟んで前記２つの第２の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された２つの第２の駆動用上層電極と、
前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、
前記第１のアーム領域の長さ、幅及び厚さは、前記第２のアーム領域の長さ、幅及び厚さとほぼ等しく、
前記第１のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの前記第１の駆動領域の面積を基部から順番にＳｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃとし、前記第２のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの前記第２の駆動領域の面積を基部から順番にＳｓａ、Ｓｓｂ、Ｓｓｃとし、更にＳｃ＝４×Ｓｃａ＋２×Ｓｃｂ＋１×Ｓｃｃ、Ｓｓ＝４×Ｓｓａ＋２×Ｓｓｂ＋１×Ｓｓｃとしたとき、ＳｃとＳｓとの比がほぼ２：１であり、
電圧及び周波数がそれぞれ同じであり、それらの位相が逆である第１の駆動電圧及び第２の駆動電圧のうち、前記第１の駆動電圧が、前記第１の駆動用下層電極及び前記第１の駆動用上層電極の間に加えられ、前記第２の駆動電圧が、前記２つの第２の駆動用下層電極及び前記２つの第２の駆動用上層電極の間に加えられることにより、前記第１のアーム領域及び前記２つの第２のアーム領域が、前記圧電薄膜の形成面に垂直な方向に逆の位相で振動可能であり、
前記第１のアーム領域の振幅は、前記２つの前記アーム領域の振幅の２倍である
角速度センサ。
角速度センサと、前記角速度センサを搭載する機器本体とを具備する電子機器であって、
前記角速度センサは、
第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域を挟むように線対称に２つの第２のアーム領域が設けられた基板と、
前記基板上の前記第１のアーム領域に形成された第１の駆動用下層電極と、
前記基板上の前記２つの第２のアーム領域に形成された２つの第２の駆動用下層電極と、
前記第１及び２つの第２の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された第１の駆動用上層電極と、
前記圧電薄膜を挟んで前記２つの第２の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された２つの第２の駆動用上層電極と、
前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、
前記第１のアーム領域の長さ、幅及び厚さは、前記第２のアーム領域の長さ、幅及び厚さとほぼ等しく、
前記第１の駆動用上層電極、前記第１の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる前記圧電薄膜による実質的な第１の駆動領域と、前記２つの第２の駆動用上層電極、前記２つの第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる前記圧電薄膜による２つの実質的な第２の駆動領域とは、前記第１及び第２のアーム領域の基部に対して同じ距離の位置から形成され、
前記第１の駆動領域及び前記第２の駆動領域の面積比がほぼ２：１であり、
電圧及び周波数がそれぞれ同じであり、それらの位相が逆である第１の駆動電圧及び第２の駆動電圧のうち、前記第１の駆動電圧が、前記第１の駆動用下層電極及び前記第１の駆動用上層電極の間に加えられ、前記第２の駆動電圧が、前記２つの第２の駆動用下層電極及び前記２つの第２の駆動用上層電極の間に加えられることにより、前記第１のアーム領域及び前記２つの第２のアーム領域が、前記圧電薄膜の形成面に垂直な方向に逆の位相で振動可能であり、
前記第１のアーム領域の振幅は、前記２つの前記アーム領域の振幅の２倍である
電子機器。
角速度センサと、前記角速度センサを搭載する機器本体とを具備する電子機器であって、
前記角速度センサは、
第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域を挟むように線対称に２つの第２のアーム領域が設けられた基板と、
前記基板上の前記第１のアーム領域に形成された第１の駆動用下層電極と、
前記基板上の前記２つの第２のアーム領域に形成された２つの第２の駆動用下層電極と、
前記第１及び２つの第２の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された第１の駆動用上層電極と、
前記圧電薄膜を挟んで前記２つの第２の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された２つの第２の駆動用上層電極と、
前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、
前記第１のアーム領域の長さ、幅及び厚さは、前記第２のアーム領域の長さ、幅及び厚さとほぼ等しく、
前記第１の駆動用上層電極、前記第１の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる前記圧電薄膜による実質的な第１の駆動領域の面積は、前記２つの第２の駆動用上層電極、前記２つの第２の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる前記圧電薄膜による２つの実質的な第２の駆動領域の面積とほぼ等しく、
前記第１及び第２のアーム領域の基部からの、それぞれの前記第２の駆動領域の形成位置の距離は、前記基部からの前記第１の駆動領域の形成位置の距離のほぼ２倍であり、
電圧及び周波数がそれぞれ同じであり、それらの位相が逆である第１の駆動電圧及び第２の駆動電圧のうち、前記第１の駆動電圧が、前記第１の駆動用下層電極及び前記第１の駆動用上層電極の間に加えられ、前記第２の駆動電圧が、前記２つの第２の駆動用下層電極及び前記２つの第２の駆動用上層電極の間に加えられることにより、前記第１のアーム領域及び前記２つの第２のアーム領域が、前記圧電薄膜の形成面に垂直な方向に逆の位相で振動可能であり、
前記第１のアーム領域の振幅は、前記２つの前記アーム領域の振幅の２倍である
電子機器。
角速度センサと、前記角速度センサを搭載する機器本体とを具備する電子機器であって、
前記角速度センサは、
第１のアーム領域及び前記第１のアーム領域を挟むように線対称に２つの第２のアーム領域が設けられた基板と、
前記基板上の前記第１のアーム領域に形成された第１の駆動用下層電極と、
前記基板上の前記２つの第２のアーム領域に形成された２つの第２の駆動用下層電極と、
前記第１及び２つの第２の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟んで第１の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された第１の駆動用上層電極と、
前記圧電薄膜を挟んで前記２つの第２の駆動用下層電極と対向するように前記圧電薄膜上に形成された２つの第２の駆動用上層電極と、
前記第１の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、
前記第１のアーム領域の長さ、幅及び厚さは、前記第２のアーム領域の長さ、幅及び厚さとほぼ等しく、
前記第１のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの前記第１の駆動領域の面積を基部から順番にＳｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃとし、前記第２のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの前記第２の駆動領域の面積を基部から順番にＳｓａ、Ｓｓｂ、Ｓｓｃとし、更にＳｃ＝４×Ｓｃａ＋２×Ｓｃｂ＋１×Ｓｃｃ、Ｓｓ＝４×Ｓｓａ＋２×Ｓｓｂ＋１×Ｓｓｃとしたとき、ＳｃとＳｓとの比がほぼ２：１であり、
電圧及び周波数がそれぞれ同じであり、それらの位相が逆である第１の駆動電圧及び第２の駆動電圧のうち、前記第１の駆動電圧が、前記第１の駆動用下層電極及び前記第１の駆動用上層電極の間に加えられ、前記第２の駆動電圧が、前記２つの第２の駆動用下層電極及び前記２つの第２の駆動用上層電極の間に加えられることにより、前記第１のアーム領域及び前記２つの第２のアーム領域が、前記圧電薄膜の形成面に垂直な方向に逆の位相で振動可能であり、
前記第１のアーム領域の振幅は、前記２つの前記アーム領域の振幅の２倍である
電子機器。