JP5630267B2 - 振動ジャイロ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、圧電体の主面に垂直な方向の変形と圧電体の主面に平行な方向の変形とを利用して回転を検出する振動ジャイロ素子、および其の製造方法に関する。
回転を検出する振動ジャイロ素子は、圧電セラミックを貼り合わせた振動板や、水晶・ニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶の振動板などを利用し、振動体に作用するコリオリの力を検出する。振動体の形状としては、音叉形・正方形断面音片形・正三角形断面音片形・円形音片形・Ｈ字形などの様々な形状がある（例えば、非特許文献１〜３および特許文献１参照。）。
図１は、従来例の振動ジャイロ素子の構成を説明する図である。
この振動ジャイロ素子１０１は、振動板１０４と８つの検出用振動体と１つの駆動用振動体とを備える。各検出用振動体は検出電極１０２と圧電体板１０３と検出電極１０５とからなる。駆動用振動体は駆動電極１０６と圧電体板１０７と駆動電極１０８とを備える。駆動用振動子は、振動板１０４に主面法線方向の屈曲振動を励起させる。８つの検出用振動子は、振動ジャイロ素子１０１の直交する２つの検出軸（Ｘ軸・Ｙ軸）それぞれの両脇に配置された一組ごとに、各組が挟む検出軸を中心とした回転のコリオリの力に応じた出力差で出力信号が励起する。
このような複数の回転軸それぞれでの回転を検出可能な振動ジャイロ素子は、自動車のナビゲーションシステムや、カメラの手ぶれ補正回路、ゲーム機のリモコン、携帯電話などへの採用が期待されている。これらの用途では、従来以上に振動ジャイロ素子の小型化が望まれている。
「圧電形振動ジャイロスコープ」，日本音響学会誌45巻5号pp.402-408，1989
「圧電形振動ジャイロスコープ角速度センサ」，電子情報通信学会論文誌Vol.J78-C-I pp.547-556，1995年2月
「ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウム圧電単結晶を用いた電子機構デバイス」，電子情報通信学会論文誌Vol.J87-C No.2 pp.216-224，2004年2月
非特許文献１〜３に記載された音叉形や音片形の振動ジャイロ素子では、振動体ごとに一つの検出軸しか実現できず、複数の検出軸を実現するためには複数の振動体が必要で小型化に不向きである。特に、振動体の表裏だけでなく側面にも電極を形成する構成では、振動体を薄型化すると側面への電極形成やその配線形成が困難になるため、振動体の薄型化には限界がある。
特許文献４に記載された円板形の振動ジャイロ素子では、直交２軸での回転検出が可能であるが、振動板を薄くしていくと振動板の剛性が低くなるために振動板の自重によって大きく撓み、最適な振動形態からの乖離が大きくなる。また撓みにより振動板が支持体に接触する虞があるため、振動空間の余裕を大きく採る必要が生じる。したがって薄型化には限界がある。
そこで、本発明は適切な振動形態を実現しながら、従来よりも小型化や薄型化が可能な振動ジャイロ素子の提供を目的とする。
この発明は、圧電体の主面に平行な面内の回転軸での回転を検出する振動ジャイロ素子であって、圧電体と主面電極対と支持体とを備える。圧電体は、内側開放部と外側開放部とが設けられている。内側開放部は圧電体の主面における枠状領域の内側面を露出させる。外側開放部は枠状領域の外側面を露出させる。圧電体は、内側領域と、外側領域と、梁部とを備える。内側領域は枠状領域よりも内側に位置する。外側領域は枠状領域よりも外側に位置する。梁部は、回転軸から４５°ずらした位置に設けられ、内側領域または外側領域と枠状領域とを繋ぐ。主面電極対は枠状領域の主面表裏に接合され、枠状領域の圧電体の主面に垂直な方向の変位と圧電体の主面に平行な方向の変位とに電気機械的に結合する。支持体は、枠状領域の振動空間を確保して、圧電体を支持する。振動空間は、枠状領域への他部材の干渉を防ぐとともに内側開放部および外側開放部に連通する。そして、この発明の振動ジャイロ素子は、圧電体の主面に垂直な方向の変位を枠状領域に励起させた状態で、回転軸回りの角速度によるコリオリの力の大きさに応じた出力を得る。
この構成では、圧電体の枠状領域に主面電極対を形成して振動体を構成するため、振動板などを省いて振動ジャイロ素子を小型に構成しても、枠状領域を振動させてコリオリの力による変形を生じさせることができる。また、圧電体に内側開放部と外側開放部とを設けることにより、圧電体の自重を抑制するとともに枠状領域の境界での拘束を弱めて枠状領域に作用する応力を開放できる。このため、歪みを抑えて枠状領域の振動形態を適切なものにでき、これにより、振動体を薄型化しても振動ジャイロ素子の検出精度を確保できる。また自重による撓みを低減できるため、圧電体が支持体に接触する危険性を抑えて振動空間を小さくすることが可能になる。
また、この発明の振動ジャイロ素子は、圧電体の主面に平行な面内で互いに直交する２つの回転軸それぞれでの回転を検出する振動ジャイロ素子であって、圧電体と複数の主面電極対と支持体とを備える。圧電体は、内側開放部と外側開放部とが、２つの回転軸それぞれを対称軸として線対称形に設けられている。内側開放部は圧電体の主面における枠状領域の内側面を露出させる。外側開放部は枠状領域の外側面を露出させる。圧電体は、内側領域と、外側領域と、梁部とを備える。内側領域は枠状領域よりも内側に位置する。外側領域は枠状領域よりも外側に位置する。梁部は、圧電体の主面に平行な軸から４５°ずらした位置に設けられ、内側領域または外側領域と枠状領域とを繋ぐ。複数の主面電極対は、２つの回転軸それぞれを対称軸として線対称な配列で枠状領域の主面表裏に接合して設けている。複数の主面電極対は、それぞれ枠状領域の圧電体の主面に垂直な方向の変位と圧電体の主面に平行な方向の変位とに電気機械的に結合する。支持体は、枠状領域の振動空間を確保して、圧電体を支持する。振動空間は、枠状領域への他部材の干渉を防ぐとともに内側開放部および外側開放部に連通する。そして、この発明の振動ジャイロ素子は、圧電体の主面に垂直な方向の変位を枠状領域に励起させた状態で、圧電体の主面に平行な軸回りの角速度によるコリオリの力の大きさに応じた出力を得る。
この構成でも、歪みの小さい枠状領域を適切な振動形態で振動させてコリオリの力による変形を生じさせることができ、検出精度を確保しながら振動ジャイロ素子を小型に構成できる。直交する２つの回転軸それぞれの両側２つの主面電極対は、間の回転軸の回転により同振幅で逆位相の電圧を出力する。一方、他の回転軸での回転や素子に衝撃が加わる際には、２つの主面電極対から同振幅・同位相の電圧を出力する。このため、これら２つの主面電極対の出力差を用いることで、間に挟まれる回転軸での回転に応じた出力差を検出でき、信号処理を簡素化できる。
圧電体は枠状領域よりも内側に内側領域を備えると好適である。ここで内側領域は、支持体によって支持されるとともに枠状領域を支持する。この場合、圧電体は枠状領域よりも外側の全体が外側開放部であってもよい。また、圧電体は枠状領域よりも外側に外側領域を備えると好適である。ここで外側領域は、支持体によって支持されるとともに枠状領域を支持する。この場合、圧電体は枠状領域よりも内側の全体が内側開放部であってもよく、枠状領域よりも内側に内側領域となる圧電体を備えてもよい。
以上の構成のように、枠状領域の内側や外側に開放部を設けて圧電体の自重による撓みを抑制して枠状領域を支持することで、枠状領域の振動形態をより適切なものにでき、振動体を薄型化しても振動ジャイロ素子の検出精度を確保できる。
圧電体が圧電体の主面において内側領域または外側領域と枠状領域とを繋ぐ梁部を備えることにより、圧電基板のパターニングのみによって枠状領域を形成し支持することができる。
そして、回転軸から４５°ずらした位置に梁部を設けることにより、回転軸上での圧電基板の変位を梁部が拘束することを抑制でき、枠状領域の振動形態をより適切なものにして振動体を薄型化しても振動ジャイロ素子の検出精度を確保できる。
梁部と配線との間に絶縁体を備えると好適である。これにより、梁部の変位による電圧を検出することを無くすことができ、振動体を薄型化しても振動ジャイロ素子の検出精度を確保できる。
枠状領域は円形枠状または矩形枠状であってもよく、圧電体は、ニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウム、あるいは、水晶からなる単結晶であってもよい。円形枠状にすることで形状の対称性を高めることができ、２つの検出軸間の振動振幅の大きさを等しく制御することが容易となる。矩形枠状にすることで実装効率を高めることができ、駆動用や検出用のＩＣなどを密に配置できるようになる。ニオブ酸リチウムを採用することで電気機械結合係数とＱ値とを大きくでき良好な感度特性が得られる。タンタル酸リチウムを採用することで感度と温度特性のバランスを改善できる。水晶を採用することで、温度特性が極めて良好になり、温度安定性に優れる。
この発明は、上述の振動ジャイロ素子の製造方法であって、支持体に振動空間となる犠牲層を設ける工程と、支持体および犠牲層の上に圧電体を接合する工程と、圧電体の内側開放部または外側開放部からエッチャントを犠牲層に到達させて、犠牲層を除去する工程と、を含むと好適である。
この製造方法によれば、エッチャントの犠牲層への到達を内側開放部および外側開放部を介することで、別途エッチャント導入孔などを設ける必要がなくなり、製造工程の簡易化が図れる。
この発明の製造方法は、圧電体基板にイオンを注入する工程と、イオンが注入された前記圧電体基板を加熱することにより、前記圧電体を剥離形成する工程と、を含むと好適である。また、圧電体に、内側開放部および外側開放部となる位置に開口を設けたマスクを形成する工程と、マスクを設けた圧電体にエッチングを施して内側開放部および外側開放部を設け、マスクを除去する工程と、を含むと好適である。
この製造方法によれば圧電体を極薄膜化できるため圧電体の量を抑制できる。また、圧電体をパターン化するためのエッチング工程での加工量を抑制でき、圧電体に及ぶダメージを抑制でき、工程の短縮が図れる。複雑な形状であっても圧電基板をパターニングできる。主面電極や配線を一度に形成でき、製造が容易になる。
この発明によれば、圧電体の枠状領域に主面電極対を形成して振動体を構成するため、振動板などを省いて振動ジャイロ素子を小型に構成しても、枠状領域を振動させてコリオリの力による変形を生じさせることができる。また、圧電体に内側開放部と外側開放部とを設けることにより、圧電体の自重を抑制するとともに枠状領域の境界での拘束を弱めて枠状領域に作用する応力を開放できる。このため、歪みを抑えて枠状領域の振動形態を適切なものにでき、これにより、振動体を薄型化しても振動ジャイロ素子の検出精度を確保できる。また自重による撓みを低減できるため、圧電体が支持体に接触する危険性を抑えて振動空間を小さくすることが可能になる。
本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ素子について説明する。図２は振動ジャイロ素子の構成例を示す図である。図２（Ａ）は上面図、図２（Ｂ）は中央断面図、図２（Ｃ）はＡ−Ａ’断面図、図２（Ｄ）はＢ−Ｂ’断面図である。
振動ジャイロ素子１は、直交２軸（Ｘ軸およびＹ軸）を回転軸とする回転を検出可能なように、Ｘ軸を対称軸として線対称形、且つ、Ｙ軸を対称軸として線対称形に構成している。また、Ｘ−Ｙ面に垂直なＺ軸に沿って下から順に、支持基板５、下主面電極４、圧電基板３、および上主面電極２を積層して構成している。
支持基板５および圧電基板３は右手系のオイラー角で（０°，５０°，０°）のニオブ酸リチウム（LiNbO3）基板であり、支持基板５は０．３４mm厚、圧電基板３は１μm厚である。ニオブ酸リチウムを採用することで振動子の電気機械結合係数とＱ値とを大きくでき良好な感度特性が得られる。なお、ニオブ酸リチウムに替えて、タンタル酸リチウムを採用すれば感度と温度特性のバランスを改善でき、水晶を採用すれば温度安定性を改善できる。なお、下主面電極４は５００nm厚のタングステン（W）電極であり、上主面電極２はアルミニウム（Al）電極である。
圧電基板３は圧電体主面（Ｘ−Ｙ面）から見て、内側領域３Ａと枠状領域３Ｂと外側領域３Ｃとに区分される。枠状領域３Ｂは内径４００μm、外径５００μmの円形内形・円形外形の枠状である。内側領域３Ａは直径３００μmの円形であり、下主面電極４を介して支持基板５に接合している。外側領域３Ｃは内径６００μmの円形内形・矩形外形であり、下主面電極４を介して支持基板５に接合している。内側領域３Ａと枠状領域３Ｂとの間には４つの内側開放孔３１と４つの内側梁部３２とを設けていて、外側領域３Ｃと枠状領域３Ｂとの間には４つの外側開放孔３３と４つの内側梁部３２とを設けている。内側梁部３２と外側梁部３４とは、Ｘ−Ｙ面におけるＸ軸正方向を０°として、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の方向に沿う幅２０μmの梁状の領域としている。これら内側梁部３２と外側梁部３４とは、枠状領域３Ｂを支持基板５から浮かせた状態に支持する。内側開放孔３１は本発明の内側開放部であり、外側開放孔３３は本発明の外側開放部であり、それぞれ枠状領域３Ｂの内側面・外側面を露出させる。ここで、枠状領域３Ｂを円形にすることで形状の対称性を高めることができ、２つの検出軸間の振動振幅の大きさを等しくすることが容易となる。
支持基板５は本発明の支持体であり、Ｘ−Ｙ面に内側領域５Ａと振動領域５Ｂと外側領域５Ｃとを備える。振動領域５Ｂは内形３００μm、外形６００μmの円形内形・円形外形の枠状に支持基板５を上主面から深さ３μmで掘り下げて振動空間を設けた領域であり、圧電基板３の枠状領域３Ｂと内側開放孔３１と内側梁部３２と外側開放孔３３と内側梁部３２とに対面する位置に設けている。振動空間は、内側開放孔３１および外側開放孔３３に連通していて、枠状領域３Ｂと支持基板５との干渉を防ぐ。内側領域５Ａは直径３００μmの領域であり、その上主面に圧電基板３の内側領域３Ａが接合される領域である。外側領域５Ｃは内径６００μmの領域であり、その上主面に圧電基板３の外側領域３Ｃが接合される領域である。支持基板５には、圧電基板３と同じ圧電性材料を用いる他にも、圧電基板３と熱膨張係数が異なるが耐熱性に優れ入手が容易で安価なＳｉやガラスを用いてもよい。
上主面電極２は、８つの駆動検出電極２Ａと、８つの回路接続電極２Ｂと、４つの基準電位接続電極２Ｃと、８つの配線２Ｄとを備えている。駆動検出電極２Ａは枠状領域３Ｂの上面にパターニングしている。回路接続電極２Ｂおよび基準電位接続電極２Ｃは外側領域３Ｃの上面にパターンニングしている。配線２Ｄは、枠状領域３Ｂから外側領域３Ｃに架けて外側梁部を経由して設けている。駆動検出電極２Ａは、２つずつ、正方向のＸ軸両側、負方向のＸ軸両側、正方向のＹ軸両側、負方向のＹ軸両側に配置している。具体的には、各駆動検出電極２ＡはＸ−Ｙ面におけるＹ軸正方向を０°として、約０°〜３０°、６０°〜９０°、９０°〜１２０°、１５０°〜１８０°、１８０°〜２１０°、２４０°〜２７０°、２７０°〜３００°、３３０°〜３６０°の範囲を占めている。なお、隣接する駆動検出電極２Ａ間は約５μmの間隔を隔てている。回路接続電極２Ｂは詳細を後述する駆動検出回路に接続される。基準電位接続電極２Ｃはスルーホールを介して下主面電極４に接続される。配線２Ｄは駆動検出電極２Ａと回路接続電極２Ｂとの間を接続し、絶縁層２Ｅを介して圧電基板３に接合されている。絶縁層２Ｅを設けているため、配線２Ｄには、梁部の変位によって電圧が励起することが無くなる。下主面電極４は、圧電基板３の下主面の全面に設けていて、基準電位接続電極２Ｃを介して基準電位に接続される。各駆動検出電極２Ａは下主面電極４に対向して、本発明の主面電極対を構成し、枠状領域３ＢのＹ軸方向の変位とＸ軸方向およびＹ軸方向の変位とに電気機械的に結合する。
以上の構成の振動ジャイロ素子１は、圧電基板３の枠状領域３Ｂが駆動検出電極２Ａと下主面電極４とを設けてなる複数の振動体を構成する。このため、振動板を省いた簡易な構成となり、振動板を用いる図１の従来構成に比べて、振動体の数や配線数、積層基板数を抑制でき、１素子で直交２軸を検出するような複雑な振動ジャイロ素子の小型化が可能になる。
また圧電基板３が、直交２軸に対して線対称形に、内側開放孔３１と外側開放孔３３とをくり抜いた構成であるため、圧電基板３の自重を抑制して撓みを抑えるとともに枠状領域の境界での拘束を弱めて枠状領域に作用する応力を開放できる。したがって、圧電基板３を薄くして剛性が低下しても設計通りの振動形態が得やすい。また、圧電基板３の撓みが抑制されるため、圧電基板３と支持基板５との接触が起こり難くなるので、振動空間を低く構成することが可能になる。
次に、この振動ジャイロ素子１の製造方法を説明する。図３は振動ジャイロ素子１の製造フローを説明する図である。ここでは、圧電基板の薄膜をイオン注入により形成する場合を示す。
まず、支持基板５に、リアクティブイオンエッチング等で窪みを設け、この窪みに犠牲層として銅膜を成膜し、表面をＣＭＰ等により平坦化する（Ｓ１０１）。
次に、所定厚みからなる圧電単結晶体を用意し、その主面から水素イオンを注入する（Ｓ１０２）。圧電単結晶体はニオブ酸リチウム基板であり、加速エネルギー１５０ＫｅＶで１．０×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ2のドーズ量により水素イオン注入を行うことにより、イオン注入面から深さ約１μmの位置に水素イオンの注入層を形成する。
次に、支持基板５の犠牲層形成面に下主面電極４となる電極膜を形成し、その表面をＣＭＰ処理等により研磨して平坦化し、圧電単結晶体のイオン注入面と接合する（Ｓ１０３）。
次に、支持基板５が接合された圧電単結晶体を、減圧雰囲気下に配置して５００℃に加熱し、水素イオンの注入層で剥離する（Ｓ１０４）。これにより、支持基板５に支持された圧電単結晶体の薄膜が、圧電基板３として形成される。これにより圧電基板３を極薄膜化できるため圧電単結晶体の使用量を抑制できる。
次に、剥離面である圧電基板３の上主面のＣＭＰ等により鏡面仕上げにする（Ｓ１０５）。
次に、圧電基板３の上主面上に、電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィ法によって上主面電極２をアルミニウムでパターニングして形成する（Ｓ１０６）。
次に、圧電基板３の上主面にレジスト膜を形成する（Ｓ１０７）。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング窓をレジスト膜に形成する（Ｓ１０８）。
次に、レジスト膜をマスクとしてエッチング窓にエッチング液もしくはエッチングガスを導入することで、内側開放孔３１および外側開放孔３３を形成する。そして、内側開放孔３１および外側開放孔３３から犠牲層に銅エッチング液を導入することで銅膜である犠牲層を除去する。これにより、枠状領域３Ｂの下側に振動空間が形成される（Ｓ１０９）。
犠牲層の除去を行った後、レジスト膜の除去を行い、基準電位接続電極２Ｃと下主面電極４とを接続するスルーホールを形成し、パッケージングする（Ｓ１１０）。その後、圧電基板３の上主面の駆動検出電極２Ａを除く他の電極にアルミニウムを厚付けし、それらの電極での配線電気抵抗を下げる（Ｓ１１１）。
以上のように、フォトリソグラフィ技術などの微細加工技術を用いて圧電基板３をパターニングすることで、圧電基板３が複雑な形状であっても精度良く加工でき、振動ジャイロ素子の検出精度を高められる。また、エッチャントの犠牲層への到達を、内側開放孔３１および外側開放孔３３を介することで、別途エッチャント導入孔などを設ける必要がなくなり、製造工程の簡易化が図れる。また、極薄膜の圧電基板３を用いるのでエッチング量を抑制することが可能になり、工程の短縮化と、圧電体に及ぶダメージの抑制とが図れる。
図４は、振動ジャイロ素子１に接続する駆動検出回路を説明する回路図である。振動ジャイロ素子１の駆動検出回路は、励振信号発生回路６と差動回路７Ａ，７Ｂと平滑回路８Ａ，８Ｂとを備える。なお、基準電位接続電極２Ｃにはグランドを接続している。
励振信号発生回路６は駆動抵抗Ｒを介して８つの回路接続電極２Ｂに接続され、８つの駆動検出電極２Ａそれぞれに励振信号を与える。各駆動検出電極２Ａに与える励振信号は、それぞれ同相・同振幅であり、枠状領域３ＢにＺ軸方向の変位を励起させる屈曲振動モードの周波数である。この屈曲振動モードの周波数は、設計段階での有限要素法による共振解析によって設定すると好適である。
Ｙ軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２ＡのうちＸ軸負方向（図中左側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ａの第一の入力端に接続される。また、Ｘ軸正方向（図中右側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ａの第二の入力端に接続される。また、Ｘ軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２ＡのうちＹ軸負方向（下側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ｂの第一の入力端に接続され、Ｙ軸正方向（上側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ｂの第二の入力端に接続される。
差動回路７Ａ，７Ｂの出力端は平滑回路８Ａ、８Ｂに接続され、差動回路７Ａ，７Ｂはそれぞれの第一の入力端と第二の入力端との電圧差を出力する。平滑回路８Ａ、８Ｂは差動回路７Ａ，７Ｂの出力電圧を平滑する。
図５は、振動ジャイロ素子１の動作を説明する図である。図４（Ａ）はＸ軸回りに回転する例を、図４（Ｂ）はＹ軸回りに回転する例を示す。
屈曲振動モードとして、Ｘ−Ｙ面におけるＸ軸上およびＹ軸上の位置（０°、９０°、１８０°、２７０°）が振動の腹となり、梁部により支持される位置（４５°、１３５°、２２５°、３１５°）の位置が振動の節となる振動が励振される際には、振動ジャイロ素子にＹ軸回りの角速度が加わると、Ｘ軸方向にコリオリの力が加わる。すると、Ｙ軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２Ａに印加されている励振信号の位相が、Ｘ軸正方向に配置された駆動検出電極２Ａと、Ｘ軸負方向に配置された駆動検出電極２Ａとで逆方向に変化する。このため、差動回路７Ａによる差分出力は、コリオリの力の大きさに応じた電圧となる。
また、振動ジャイロ素子にＸ軸回りの角速度が加わると、Ｙ軸方向にコリオリの力が加わる。すると、Ｘ軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２Ａに印加されている励振信号の位相が、Ｙ軸正方向に配置された駆動検出電極２Ａと、Ｙ軸負方向に配置された駆動検出電極２Ａとで逆方向に変化する。このため、差動回路７Ｂによるそれらの差分出力は、コリオリの力の大きさに応じた電圧となる。
なお、励振信号自体も差動回路７Ａ，７Ｂに入力されることになるが、振動ジャイロ素子１が回転していない状態では、この信号は同相・同振幅なので差動回路７Ａ，７Ｂによって取り除かれることになる。また、振動ジャイロ素子に衝撃などが作用する際に各駆動検出電極に励起する信号や、Ｘ軸回りの回転の際にＹ軸に沿って配置された駆動検出電極に励起する信号、Ｙ軸回りの回転の際にＸ軸に沿って配置された駆動検出電極に励起する信号は、やはり同相・同振幅となるので差動回路７Ａ，７Ｂによって取り除かれることになる。
次に、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ素子について説明する。なお、第１の実施形態に係る振動ジャイロ素子１と同様な構成については同一の符号を付し、説明は省く。
図６は振動ジャイロ素子の構成例を示す上面図である。
振動ジャイロ素子５１は、直交２軸（Ｘ軸およびＹ軸）を回転軸とする回転を検出可能なように、Ｘ軸を対称軸として線対称形、且つ、Ｙ軸を対称軸として線対称形に構成している。圧電基板は圧電体主面（Ｘ−Ｙ面）から見て、内側領域５３Ａと枠状領域５３Ｂと外側領域５３Ｃとに区分される。枠状領域５３Ｂは矩形外形・矩形内形であり、外形が一辺５００μm、内形が一辺４００μmである。内側領域５３Ａは矩形外形であり、外形が一辺３００μmである。外側領域５３Ｃは矩形内形・矩形外形であり、内形が一辺６００μmである。このような構成であっても、本発明は好適に実施できる。
このように素子形状を矩形とすれば、駆動検出回路を構成するＩＣを素子上に実装するような構成にする場合に設計自由度が増し、振動ジャイロ素子５１をより小型に構成できる。
以上の実施形態では、枠状領域の形状として円形のものと正方形のものを示したが、本発明はそれ以外にも、長円形や長方形、多角形など、様々な形状であっても実施できる。また、圧電基板の内側領域や外側領域の一方を省いた構成でも良く、両方を省いた構成でも良い。両方を省く場合には、圧電基板とは別体に支持体を設けるとよい。
１…振動ジャイロ素子
２…上主面電極
２Ａ…駆動検出電極
２Ｂ…回路接続電極
２Ｃ…基準電位接続電極
２Ｄ…配線
２Ｅ…絶縁層
３…圧電基板
３１…内側開放孔
３２…内側梁部
３３…外側開放孔
３４…外側梁部
３Ａ…内側領域
３Ｂ…枠状領域
３Ｃ…外側領域
４…下主面電極
５…支持基板
５Ａ…内側領域
５Ｂ…振動領域
５Ｃ…外側領域
６…励振信号発生回路
７Ａ，７Ｂ…差動回路
８Ａ，８Ｂ…平滑回路
２…上主面電極
２Ａ…駆動検出電極
２Ｂ…回路接続電極
２Ｃ…基準電位接続電極
２Ｄ…配線
２Ｅ…絶縁層
３…圧電基板
３１…内側開放孔
３２…内側梁部
３３…外側開放孔
３４…外側梁部
３Ａ…内側領域
３Ｂ…枠状領域
３Ｃ…外側領域
４…下主面電極
５…支持基板
５Ａ…内側領域
５Ｂ…振動領域
５Ｃ…外側領域
６…励振信号発生回路
７Ａ，７Ｂ…差動回路
８Ａ，８Ｂ…平滑回路
Claims (12)
- 圧電体の主面に平行な面内の回転軸での回転を検出する振動ジャイロ素子であって、
前記圧電体の主面における枠状領域の内側面を露出させる内側開放部と前記枠状領域の外側面を露出させる外側開放部とを設け、前記枠状領域よりも内側に内側領域を備え、前記枠状領域よりも外側に外側領域を備え、前記回転軸から４５°ずらした位置に設けられ、前記内側領域または外側領域と前記枠状領域とを繋ぐ梁部とを備えた圧電体と、
前記枠状領域の前記圧電体の主面に垂直な方向の変位と前記圧電体の主面に平行な方向の変位とに電気機械的に結合する、前記枠状領域の主面表裏に接合された主面電極対と、
前記枠状領域への他部材の干渉を防ぐとともに前記内側開放部および前記外側開放部に連通する前記枠状領域の振動空間を確保して、前記圧電体を支持する支持体と、
を備え、
前記圧電体の主面に垂直な方向の変位を前記枠状領域に励起させた状態で、前記回転軸回りの角速度によるコリオリの力の大きさに応じた出力を得る、振動ジャイロ素子。 - 圧電体の主面に平行な面内で互いに直交する２つの回転軸それぞれでの回転を検出する振動ジャイロ素子であって、
前記圧電体の主面における枠状領域の内側面を露出させる内側開放部と前記枠状領域の外側面を露出させる外側開放部とを、前記２つの回転軸それぞれを対称軸として線対称形に設け、前記枠状領域よりも内側に内側領域を備え、前記枠状領域よりも外側に外側領域を備え、前記内側領域または外側領域と前記枠状領域とを繋ぎ、前記２つの回転軸から４５°ずらした位置に設けられた梁部とを備えた圧電体と、
それぞれ前記枠状領域の前記圧電体の主面に垂直な方向の変位と前記圧電体の主面に平行な方向の変位とに電気機械的に結合する、前記２つの回転軸それぞれを対称軸として線対称な配列で前記枠状領域の主面表裏に接合された複数の主面電極対と、
前記枠状領域への他部材の干渉を防ぐとともに前記内側開放部および前記外側開放部に連通する前記枠状領域の振動空間を確保して、前記圧電体を支持する支持体と、
を備え、
前記圧電体の主面に垂直な方向の変位を前記枠状領域に励起させた状態で、前記圧電体の主面に平行な軸回りの角速度によるコリオリの力の大きさに応じた出力を得る、振動ジャイロ素子。 - 前記主面電極対に電気的に接続され、前記梁部を介して前記支持体まで引き出される配線と、前記梁部と前記配線との間に設けられる絶縁体と、を備える、請求項１または２に記載の振動ジャイロ素子。
- 前記内側領域は前記支持体によって支持されるとともに前記枠状領域を支持する、請求項１〜３のいずれかに記載の振動ジャイロ素子。
- 前記圧電体は前記枠状領域よりも外側の全体が前記外側開放部である、請求項４に記載の振動ジャイロ素子。
- 前記外側領域は前記支持体によって支持されるとともに前記枠状領域を支持する、請求項１〜４のいずれかに記載の振動ジャイロ素子。
- 前記圧電体は前記枠状領域よりも内側の全体が前記内側開放部である、請求項６に記載の振動ジャイロ素子。
- 前記枠状領域は円形枠状または矩形枠状である、請求項１〜７に記載の振動ジャイロ素子。
- 前記圧電体は、ニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウム、あるいは、水晶からなる単結晶である、請求項１〜８のいずれかに記載の振動ジャイロ素子。
- 請求項１〜９に記載の振動ジャイロ素子の製造方法であって、
前記支持体に前記振動空間となる犠牲層を設ける工程と、
前記支持体および前記犠牲層の上に前記圧電体を接合する工程と、
前記圧電体の前記内側開放部または前記外側開放部からエッチャントを前記犠牲層に到達させて、前記犠牲層を除去する工程と、を含む、振動ジャイロ素子の製造方法。 - 圧電単結晶体にイオンを注入する工程と、
前記イオンが注入された前記圧電単結晶体を加熱することにより、前記圧電体を剥離形成する工程と、を含む、請求項１０に記載の振動ジャイロ素子の製造方法。 - 前記圧電体に、前記内側開放部および前記外側開放部となる位置に開口を設けたマスクを形成する工程と、
前記マスクを設けた前記圧電体にエッチングを施して前記内側開放部および前記外側開放部を設け、前記マスクを除去する工程と、を含む、請求項１１に記載の振動ジャイロ素子の製造方法。
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