JP6337444B2 - 振動片、角速度センサー、電子機器及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、振動片、角速度センサー、電子機器及び移動体等に関する。

角速度センサー（ジャイロセンサー）に利用される振動片が一般に知られている（特許文献１，２）。例えば特許文献１の図１において、Ｙ方向に延びる振動片にＹ軸廻りの角速度運動が加わると、Ｘ−Ｙ面内にてＸ方向に面内振動されていた駆動部は、コリオリ力の働きでＺ軸方向（振動片の厚さ方向）の面外振動に変化する。このＺ方向の力成分は検出部の運動を引き起こす。こうした力成分に応じて、検出部には圧電効果に基づきＸ方向の電界が生ずる。その電界に基づく出力信号が検出部から出力され、角速度が検出される。

ジャイロセンサーに用いられる振動片として、検出部の側面に開口してＸ方向を深さ方向とする溝（干渉防止部）を検出部に設ける技術が提案されている（特許文献３）。この溝は、溝の内側面や溝裾に電極が設けられることはなく、検出部の外側面に設けられた複数の電極部間の電気的結合干渉を防止するために配置され、それにより漏れ電圧の発生を抑えている。

ジャイロセンサーに用いられる他の振動片として、検出部の側面に段差部を形成して、検出部の両側面に形成される一対の電極間のＸ方向距離を狭めて、電界効率を高める技術が提案されている（特許文献４）。

特開２０１２−０９８０９１号公報（図１） 特開２０１２−１１２７４８号公報 特開２００１−２２１６３８号公報（図４） 特開２０１１−１４１２６６号公報（図３）

ジャイロセンサーの小型化に伴い、検出部に配置される電極面積が狭くなると、力成分に応じたＸ方向の電界が小さくなって検出感度が低下する。特許文献３，４とは異なり、検出部の主面に開口する溝を設けて電極面積を拡大することが考えられる。しかし、例えばジャイロセンサーのように振動片の検出部がその厚さ方向に沿って振動する場合には、電極の形成位置を考慮しないとかえって電荷ロスが生ずることが判明した。

本発明の幾つかの態様は、振動片が小型化されても電極面積を増大でき、電界効率を向上させて検出感度を高めることができる振動片、角速度センサー、電子機器及び移動体を提供することを目的とする。

（１）本発明の一態様は、
圧電体の第１主面及び前記第１主面に対して前記圧電体の裏面にある第２主面と、前記第１主面と前記第２主面とを接続している外側面と、を含み、前記第１主面と交差する方向に沿って振動する検出部を備え、
前記検出部は、
前記第１主面に設けられている開口からの深さ方向にて、前記第１主面と前記第２主面との間の位置に溝裾を有する溝部と、
前記溝部内に臨む内側面に設けられている第１内側面および第２内側面と、
前記外側面に設けられている第１外側面および第２外側面と、
前記第１内側面に設けられている第１内側面電極と、前記第１外側面に設けられている第１外側面電極と、
前記第２内側面に設けられている第２内側面電極と、前記第２外側面に設けられている第２外側面電極と、
を有し
前記第１外側面と前記第１内側面との間には、前記圧電体を有し、
前記第２外側面と前記第２内側面との間には、前記圧電体を有し、
前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極の各々は、前記第１主面から前記第２主面の方向にて前記第２主面側に位置する端面を含み、
前記第１外側面及び前記第２外側面の少なくとも一方は、前記端面から前記第２主面までの領域に、前記第１外側面電極または前記第２外側面電極が設けられていない電極非形成領域を有する振動片に関する。

本発明の一態様によれば、第１主面と交差する方向（例えば圧電体の厚さ方向であるＺ方向）に沿って振動する検出部には、中立面を境界とする厚さ方向の２つの領域の一方には圧縮力が他方には引張力が作用する。ここで、中立面とは圧縮も引張も生じない面をいう。圧電体を介して対向する一対の電極（第１外側面電極と第１内側面電極、第２外側面電極と第２内側面電極、または第１外側面電極と第２外側面電極）には、圧縮力または引張力に応じた電界が作用する。その際、圧縮力に基づく電界の方向と、引張力に基づく電界の方向とは、互いに逆向きとなる。

検出部の長手方向と直交する検出部の横断面（例えばＸ−Ｚ面）にて、一対の電極に生ずる第１電界の方向を第１方向（例えば＋Ｘ方向）とすると、一対の電極に生ずる第２電界の方向は第２方向（例えば−Ｘ方向）となる。

特に、第１，第２外側面電極が厚さ方向にて第１主面から第２主面までに全面形成されると、第１，第２外側面電極には上述した逆方向の第１，第２電界の双方が形成されるので、一方の電界により生ずる電荷が他方の電界により生ずる逆電荷によりロスされる。

なお、本明細書では、溝部の開口部から最深位置を溝裾と称する。溝裾は、溝底のように平らな底面を有する場合と有しない場合との双方を含む。エッチング特にウェットエッチングの場合には、平らな底面が必ずしも形成されずにＶ字溝が形成されることがあるからである。

本発明の一態様によれば、第１外側面及び第２外側面の少なくとも一方は、端面から第２主面までの領域に電極非形成領域を有するので、電極非形成領域には一対の電極が形成されず、逆電荷が生ずる一対の電極部分の一部または全部が排除されることになる。こうして、溝部の内側面に形成される第１，第２内側面電極により、電極面積を増大させると共に一対の電極間距離を狭めて電界効率を上げながらも、外側面に電極非形成領域を確保することで逆電界に起因する電荷のロスを抑制することから、検出感度を高めることができる。

（２）本発明の一態様では、前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極の各々にて前記端面を前記第２主面に設けて測定される検出感度をＧ１とし、前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極の各々にて前記端面を中立面に設けて測定される検出感度をＧ２としたとき、
検出感度Ｇは、Ｇ１＋（Ｇ２−Ｇ１）×１０％≦Ｇ≦Ｇ２とすることができる。

第１，第２外側面電極は、特に除去工程を用いない限り第１，第２外側面の全面に形成されてしまう。本発明の一態様に対する比較対象である検出感度Ｇ１は、中立面と第２主面との間にある第１，第２外側面電極にて形成される逆電界による電荷ロスによって低い感度となる。本発明の一態様での最良形態である検出感度Ｇ２は、上述した電荷ロスがない高い感度となる。本発明の一態様に係る振動片の検出感度Ｇは、外側面に確保される電極非形成によって、検出感度Ｇ１が得られる時よりも電荷ロスを抑制することで達成される感度を、定量的に定義したものである。

（３）本発明の一態様では、前記端面は、中立面と実質的に等しい位置に有することができる。

端面が中立面と実質的に等しい位置に設定されると、第１，第２外側面電極に形成される逆電界は無視でき、電荷ロスを最小にして検出感度を最大にすることができる。

（４）本発明の一態様では、前記端面は、中立面と前記第２主面との間に有することができる。

端面が第１主面と中立面との間（第１領域）にある時は、端面が中立面に近づく位置に依存して電極有効面積が拡大するので感度は増大する。一方、端面が中立面と第２主面との間（第２領域）にある時は、端面が第２主面に近づく位置に応じて電荷ロスが増大するので感度は低下する。第１領域での端面の位置に依存した感度増加率は、第２領域での端面の位置に依存した感度低下率よりも大きい。よって、端面の位置を製造（例えばエッチング工程）時に制御する際には、端面を第１領域よりも第２領域に設定した方が感度の位置依存性は少ない。

（５）本発明の一態様では、前記端面は、前記第１主面と中立面との間に有することができる。

こうすると、第１外側面電極及び第１内側面電極から成る第１の一対の側面電極と、第２外側面電極及び第２内側面電極から成る第２の一対の側面電極とには、電荷ロスを生ずる逆電界は形成されない。

（６）本発明の一態様では、前記溝裾は、前記開口からの深さ方向にて、中立面を超える位置に配置することができる。

こうすると、第１外側面電極及び第１内側面電極から成る第１の一対の側面電極と、第２外側面電極及び第２内側面電極から成る第２の一対の側面電極の有効電極面積を最大に確保することができる。また、その溝裾に一対の溝裾電極を配置すれば、電界効率をさらに高めることができる。

（７）本発明の一態様では、前記溝裾は、前記開口からの深さ方向にて、中立面と実質的に等しい位置、または中立面を超えない位置に配置することができる。

溝裾の位置にかかわらず、第１，第２外側面電極の端面の位置に依存して電荷ロスを抑制できる効果を奏することができる。

（８）本発明の一態様では、前記第１内側面電極及び前記第２内側面電極は接地電極とすることができる。

第１内側面電極及び第２内側面電極が接地電極であると、第１内側面電極及び第２内側面電極を導通させても良い。つまり、溝部内にて第１，第２内側面及び溝裾に電極膜を形成した後に、第１内側面電極及び第２内側面電極に分離する必要がないので、製造し易い利点がある。

（９）本発明の一態様では、前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極は接地電極とすることができる。

こうすると、第１外側面電極及び第２外側面電極により、第１内側面電極、第２内側面電極及び一対の溝裾電極をシールドすることができ、外部ノイズの悪影響を低減できる。

（１０）本発明の一態様では、前記第２主面にて間隔をおいて配置される一対の主面電極をさらに有することができる。

一対の主面電極を、他の一対の側面電極に配線で接続すれば、一対の主面電極に生成される電荷を他の一対の側面電極にて生成される電荷と極性を合わせて上積みすることで、検出感度を高めることができる。

（１１）本発明のさらに他の態様は、
上述の（１）〜（１０）のいずれかに記載の振動片と、
前記振動片の前記厚さ方向に沿った振動に基づいて角速度を検出する検出回路と、
を有することを角速度センサーに関する。

この角速度センサーは、角速度の検出感度を電荷のロスを伴うことなく高めることができる。

（１２）本発明のさらに他の態様は、上述の（１１）に記載の角速度センサーを有する電子機器に関する。

（１３）本発明のさらに他の態様は、上述の（１１）に記載の角速度センサーを有する移動体に関する。

本発明に係る電子機器及び移動体は、検出感度を維持または高めながらも、より小型化することができる。

（１４）本発明の他の態様は、
圧電体の第１主面及び前記第１主面に対して前記圧電体の裏面にある第２主面と、前記第１主面と前記第２主面とを接続している外側面とを含み、前記第１主面と交差する方向に沿って振動する検出部を有する振動片を製造する方法において、
前記外側面は、互いに対向している第１外側面及び第２外側面と、前記第１主面に設けられている開口からの深さ方向にて、前記第１主面と前記第２主面との間の位置に溝裾を有する溝部と、を含む検出部本体を形成する工程と、
前記第１外側面に第１外側面電極を、前記第２外側面に２外側面電極を、それぞれ形成する工程と、
前記第１外側面と対向して前記溝部内に臨む第１内側面に第１内側面電極を、前記第２外側面と対向して前記溝部内に臨む第２内側面に第２内側面電極を、それぞれ形成する工程と、
前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極の少なくとも一方にて、前記第２主面から所定長さ領域に亘って電極を除去する工程と、
を有する振動片の製造方法に関する。

本発明の他の態様によれば、除去工程を実施することで、第１外側面及び第２外側面の少なくとも一方には電極非形成領域が形成される。電極非形成領域には一対の電極が形成されず、逆電荷が生ずる一対の電極部分の一部または全部が排除されることになる。こうして、溝部の内側面に形成される第１，第２内側面電極により、電極面積を増大させると共に一対の電極間距離を狭めて電界効率を上げながらも、外側面に電極非形成領域を確保することで逆電界に起因する電荷のロスを抑制することから、検出感度を高めることができる。

本発明の一実施形態である電極が形成される前の状態での振動片を模式的に示す平面図である。 振動片の駆動部の面内振動を示す動作説明図である。 振動片に角速度が作用した時の面外振動を示す動作説明図である。 図１のＩＶ−ＩＶ断面に形成される電極を示す図である。 図５（Ａ）（Ｂ）は、ウォークモード振動する検出部にて交互に生ずる電界方向を示す図である。 外側面電極の第１主面から端面までの位置と検出感度との関係を示す特性図である。 比較例の振動片の検出部を示す断面図である 外側面電極の端面を、中立面を超えた溝裾の位置に設定した振動片の検出部を示す断面図である。 外側面電極の端面を、第１主面と中立面との間の位置に設定した振動片の検出部を示す断面図である。 溝裾位置を第１主面と中立面との間に設定し、かつ、外側面電極の端面を中立面の位置に設定した振動片の検出部を示す断面図である。 溝裾位置を第１主面と中立面との間に設定し、かつ、中立面を超える位置に外側面電極の端面を設定した振動片の検出部を示す断面図である。 溝裾位置を第１主面と中立面との間に設定し、かつ、外側面電極の端面を第１主面と中立面との間に設定した振動片の検出部を示す断面図である。 振動片と検出回路を含むジャイロセンサーの概略ブロック図である。 検出回路で生成される交流電圧信号を示す図である。 一対の主面電極を有する振動片の検出部の変形例を示す図である。 外側面電極を接地電極とした振動片の検出部の変形例を示す図である。 内側面電極を接地電極とした振動片の検出部の変形例を示す図である。 振動片の検出部の製造工程を示す図である。 ジャイロセンサーを含む電子機器の一例を示す図である。 ジャイロセンサーを含む電子機器の他の一例を示す図である。 ジャイロセンサーを含む移動体の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．振動片の概要
図１は、電極が形成される前の状態での振動片１０の振動片本体を模式的に示している。ここで、本実施形態の振動片１０は、Ｘ軸（第２軸）と、Ｘ軸に平面上に直交するＹ軸からなるＸ−Ｙ平面に延在され、互いに対向する第１主面１１と第２主面１２とを有する。なお、第１主面１１及び第２主面１２に垂直な軸をＺ軸とする。振動片１０を形成する圧電体が水晶の場合、Ｘ軸は電気軸、Ｙ軸は機械軸、Ｚ軸は光学軸である。振動片１０は、基部２０から＋Ｙ方向に延びる駆動部３０と、基部２０から−Ｙ方向に延びる検出部４０とを有する。なお、振動片１０には、例えば特許文献２に示すように、漏れ出力の抑制を調整する調整部（調整用振動腕及び電極）等の付属の構造を設けても良い。

駆動部３０は、第１振動腕３１と第２振動腕３２とを含む。基部２０と第１振動腕３１と第２振動腕３２とで音叉形振動片を構成する。検出部４０は、第３振動腕４１と第４振動腕４２とを含む。基部２０と第３振動腕４１と第４振動腕４２とで、同様に音叉形振動片を構成する。この二つの音叉形振動片が基部２０で結合されており、このような構成の振動片１０はＨ型振動片と呼称される。

この振動片１０はジャイロセンサー（角速度センサー）として用いることができる。図２に示すように、角速度の検出にあたって駆動部３０（第１，第２振動腕３１，３２）で振動が励起駆動される。この駆動時の振動は、Ｘ−Ｙ平面内にてＸ方向に沿った面内振動であり、第１，第２振動腕３１，３２は相互に離れ相互に近づく振動を繰り返す。

図３に示すように振動片１０にＹ軸廻りの角速度ωが加わると、コリオリ力の働きで駆動部３０（第１，第２振動腕３１，３２）の振動方向が変化する。第１，第２振動腕３１，３２が基部２０の重心回りで揺動する、いわゆるウォークモード励振が引き起こされる。

駆動部３０（第１，第２振動腕３１，３２）のウォークモード励振は基部２０から検出部４０（第３，第４振動腕４１，４２）に伝播する。その結果、検出部４０（第３，第４振動腕４１，４２）にも基部２０の重心回りで揺動するウォークモード励振が引き起こされる。そして、検出部４０（第３，第４振動腕４１，４２）では圧電効果に基づき電界が生じ、電荷が生み出される。

２．振動片への電極の配置
２．１．駆動部
本実施形態では、駆動部３０（第１，第２振動腕３１，３２）での電極の配置については、図２の面内振動が励起されるものであれば特に制約はない。駆動部３０（第１，第２振動腕３１，３２）は、例えば特許文献４の図２のようにＸ−Ｚ断面での四面にそれぞれ電極を設けることができる。あるいは特許文献４の図１２に示すように、主面に開口する溝部の内側面と溝裾とに設けた単一電極と、側面に形成される側面電極とで一対の電極を形成しても良い。

２．２．検出部
本実施形態では、検出部４０（第３，第４振動腕４１，４２）での電極配置に特徴がある。先ず、図１に示すように、検出部４０（第３，第４振動腕４１，４２）は、第１主面１１にのみ開口し、Ｙ軸方向を長手方向とし、Ｘ軸方向を幅方向とし、Ｚ方向を深さ方向とする溝部５０が設けられている。

図４は、図１のＩＶ−ＩＶ断面を示している。図４に示すＸ−Ｚ断面にて、溝部５０は、第１主面１１からの深さ方向（Ｚ方向）にて、第１主面１１と第２主面１２との間の中立面１４を例えば超える位置に溝裾５１を有する。溝部５０は、溝部５０内の空間を介して溝幅方向Ｘにて対向する内側面５２（第１内側面５２ａ、第２内側面５２ｂ）を有する。なお、溝部５０は、振動片１０の外形の形状出しと同様にして、例えばドライエッチング、特に異方性エッチングにより形成することができる。

検出部４０（第３，第４振動腕４１，４２）は、図３に示すウォークモード振動により圧電効果に基づきＸ方向の電界が形成され、その電界による電荷を検出する。そのために、Ｘ方向にて対向する一対の電極が設けられる。一対の電極として、溝部５０内に臨む内側面５２に形成される内側面電極６１と、内側面５２と対向する外側面１３に形成される外側面電極６２とを含む一対の側面電極６０を含む。また、一対の電極の他の一つとして、溝部５０の溝裾５１にて間隔をおいて設けられた一対の溝裾電極７０を設けることができる。ただし、一対の溝裾電極７０は必ずしも設ける必要はない。

一対の側面電極６０は、第１の一対の側面電極６０ａと、第２の一対の側面電極６０ｂとを含むことができる。ここで、外側面１３は、第１主面１１及び第２主面を結ぶ第１外側面１３ａと第２外側面１３ｂを含む。内側面５２は、溝部５０内の空間を介して対向する第１内側面５２ａと第２内側面５２ｂを含む。第１内側面５２ａは第１外側面１３ａと圧電体を介して対向している。第２内側面５２ｂは第２外側面１３ｂと圧電体を介して対向している。内側面電極６１は、第１内側面５２ａに形成される第１内側面電極６１ａと、第２内側面５２ｂに形成される第２内側面電極６１ｂとを含む。外側面電極６２は、第１外側面１３ａに形成される第１外側面電極６２ａと、第２外側面１３ｂに形成される第２外側面電極６２ｂとを含む。第１の一対の側面電極６０ａは、第１内側面電極６１ａと第１外側面電極６２ａとから構成される。第２の一対の側面電極６０ｂは、第２内側面電極６１ｂと第２外側面電極６２ｂとから構成される。

第１外側面電極６２ａは、厚さ方向Ｚにて第１主面１１側に位置する第１端面６２ａ１と、厚さ方向Ｚにて第２主面１２側に位置する第２端面（端面）６２ａ２とを含む。同様に、第２外側面電極６２ｂは、厚さ方向Ｚにて第１主面１１側に位置する第１端面６２ｂ１と、厚さ方向Ｚにて第２主面１２側に位置する第２端面６２ｂ２とを含む。本実施形態では、第２端面６２ａ２，６２ｂ２が実質的に中立面１４と等しい位置に設定されている。そして、第１外側面１３ａ及び第２外側面１３ｂ双方は、第２端面６２ａ２，６２ｂ２から第２主面１２までの第２領域１６が、第１外側面電極６２ａ及び第２外側面電極６２ｂが形成されない電極非形成領域となる。なお、第１端面６２ａ１，６２ｂ１は必ずしも外側面１３（１３ａ，１３ｂ）になくてもよく、第１主面１１に存在していても良い。

一対の溝裾電極７０は、溝部５０の溝裾５１にて溝幅方向Ｘにて間隔をおいて設けられる第１溝裾電極７１と第２溝裾電極７２とを有する。第１内側面電極６１ａに近い位置にある第１溝裾電極７１は、第１内側面電極６１ａに導通される。つまり、第１溝裾電極７１は、溝部５０の溝裾隅部にて第１内側面電極６１ａと導通されている。同様に、第２内側面電極６１ｂに近い位置にある第２溝裾電極７２は、第２内側面電極６１ｂに導通される。つまり、第２溝裾電極７２は、溝部５０の溝裾隅部にて第２内側面電極６１ｂと導通されている。

振動片１０には、図４に示すように検出部４０の出力端子Ｓ１，Ｓ２が設けられる。出力端子Ｓ１は、第１外側面電極６２ａ、第２内側面電極６１ｂ及び第２溝裾電極７２に導通している。出力端子Ｓ２は、第２外側面電極６２ｂ、第１内側面電極６１ａ及び第１溝裾電極７１に導通している。

３．検出動作
図５（Ａ）（Ｂ）は、図３に示すように検出部４０がウォークモード振動した時に一対の電極に生ずる電荷の極性を示している。図５（Ａ）は検出部４０が例えば図３の＋Ｚ方向に変位した時を示し、図５（Ｂ）は検出部４０が例えば図３の−Ｚ方向に変位した時を示している。

Ｚ方向に沿って振動する第３振動腕４１（検出部４０）には、図５（Ａ）（Ｂ）に示す中立面１４を境界とする厚さ方向Ｚの２つの領域１５，１６の一方には圧縮力が他方には引張力が作用する。ここで、中立面１４とは圧縮も引張も生じない面をいう。矩形断面であれば、検出部４０を厚さ方向Ｚで二分する位置に中立面１４が位置する。ただし、検出部４０は矩形断面に限らず、Ｚ軸に対して線対称であれば良い。第３振動腕４１（検出部４０）に形成された一対の電極６０，７０には、圧縮力または引張力に応じた電界が作用する。その際、圧縮力に基づく電界の方向と、引張力に基づく電界の方向とは、互いに逆向きとなる。

厚さ方向Ｚと直交する第３振動腕４１（検出部４０）の横断面（Ｘ−Ｚ面）にて、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１領域１５に配置された一対の側面電極６０には第１電界ＥＦ１のみが形成される。つまり、一対の側面電極６０には電荷のロスを生じるような逆電界は発生しない。特に、溝裾５１が中立面１４と実質的に等しい位置か、あるいは中立面を超えた位置にある時であって、第２端面６２ａ２，６２ｂ２が中立面１４と実質的に等しい位置にある時、第１電界ＥＦ１を形成する一対の側面電極６０の有効電極面積は最大となる。

ここで、第１電界ＥＦ１の電界方向を第１方向とすると、第２領域１６に配置された一対の溝裾電極７０に生ずる第２電界ＥＦ２の方向は、第１方向とは逆向きの第２方向となる。

図５（Ａ）に示すように、第１内側面電極６１ａが第１電界ＥＦ１の下流に位置するとき、一対の溝裾電極７０のうち第１内側面電極６１ａに近い側の溝裾電極７１が第２電界ＥＦ２の下流に位置することになる。同様に、図５（Ａ）において、第２内側面電極６１ｂが第１電界ＥＦ１の上流に位置するとき、一対の溝裾電極７０のうち第２内側面電極６１ｂに近い側の溝裾電極７２が第２電界ＥＦ２の上流に位置することになる。よって、導通された２つの電極（６１ａと７１または６１ｂと７２）は共に電界方向の上流同士または下流同士となる。つまり、出力端子Ｓ１では、第１外側面電極６２ａ、第２内側面電極６１ｂ及び第２溝裾電極７２から負（図５（Ａ）参照）または正（図５（Ｂ）参照）で極性が同じ電荷が出力される。同様に、出力端子Ｓ２からは、第２外側面電極６２ｂ、第１内側面電極６１ａ及び第１溝裾電極７１から正（図５（Ａ）参照）または負（図５（Ｂ）参照）で極性が同じ電荷が出力される。そのため、電界に基づく電荷のロスは生じない。こうして、溝部５０の内側面５２及び溝裾５１に形成される電極６１，７１，７２により電極面積を増大させることができ、しかも電荷のロスも生じないことから、検出感度を高めることができる。

検出部４０の第４振動腕４２も、図４と同様な断面構造を有する。ただし、図３に示すように第３，第４振動腕４１，４２の振動位相は１８０度異なるので、第４振動腕４２の電極の出力端子Ｓ１，Ｓ２への接続は図４とは逆となる。つまり、第４振動腕４２では、出力端子Ｓ２は第１外側面電極６２ａ、第２内側面電極６１ｂ及び第２溝裾電極７２に導通している。出力端子Ｓ１は、第２外側面電極６２ｂ、第１内側面電極６１ａ及び第１溝裾電極７１に導通している。このことは、後述する変形例（図８〜図１２、図１５〜図１７）にも適用される。

４．検出感度
図６は、図４に示す第２端面６２ａ２，６２ｂ２の位置をＺ方向で変化させた時の検出感度の変化を示している。図６では、図４の検出部４０のＺ方向の長さは８０μｍであり、横軸は第１，第２外側面電極６２ａ，６２ｂの第１主面１１からの長さ（０〜８０μｍ）を示している。図６の縦軸は検出感度を示し、図６では１ｋＨｚ離調換算感度［ｐｐｍ／ｄｐｓ］が示されている。

図４に示す実施形態では、第１，第２外側面電極６２ａ，６２ｂが第１主面１１から中立面１４までの範囲に形成される全長は４０μｍであり、図６の横軸で４０μｍのときに検出感度Ｇ２が最大となることは上述の通りである。

また、図７の比較例に示すように、第１，第２外側面電極６２ａ，６２ｂが第１，第２外側面１３ａ，１３ｂの全面に形成されるときは、図６の横軸にて８０μｍの位置に相当し、その時の検出感度Ｇ１はピーク感度Ｇ２（４０μｍの時）よりも大幅に低下している。その理由は、第１，第２外側面電極６２ａ，６２ｂで形成される第３の一対の側面電極に形成される第２電界ＥＦ２が最大となり、これが電荷ロスを最大にするからである。

図７のように第１，第２外側面電極６２ａ，６２ｂが第１，第２外側面１３ａ，１３ｂの全面に形成されるときの検出感度Ｇ１は、図６によれば第１，第２外側面電極６２ａ，６２ｂが第１主面１１からほぼ１５μｍ程度しか形成されないときの検出感度まで低下することが分かる。

このため、図７よりもむしろ、第２端面６２ａ２，６２ｂ２から第２主面１２までの領域に、第１外側面電極６２ａまたは第２外側面電極６２ｂが形成されない電極非形成領域を確保した方が、検出感度ＧはＧ１＜Ｇ≦Ｇ２となり、図７に示す比較例の感度Ｇ１よりも大きくすることができる。

例えば、Ｇ１＋（Ｇ２−Ｇ１）×α≦Ｇ≦Ｇ２…（１）としたとき、式（１）中の係数α（１＞α＞０）は例えば最小で１０％とすることができ、好ましくは３０〜５０％、さらに好ましくは５１〜６９％、さらに好ましくは７０〜８０％とすることができる。従って、第２端面６２ａ２，６２ｂ２の位置は、中立面１４よりも第２主面１２側にシフトした位置であってもよい。例えば、図８に示すように、第２端面２６ａ２，２６ｂ２の位置を溝裾５１と実質的に同じ位置としても、式（１）を満たすことができる。あるいは、第２端面２６ａ２，２６ｂ２の位置は、図９に示すように、中立面１４よりも第１主面１１側にシフトした位置としても、式（１）を満たすことができる。

ここで、図６において、横軸の第２端面６２ａ２，６２ｂ２の位置が第１主面１１と中立面１４との間の第１領域１５にある時は、横軸の第２端面６２ａ２，６２ｂ２の位置が中立面１４に近づく位置に依存して電極有効面積が拡大するので感度は増大する。一方、横軸の第２端面６２ａ２，６２ｂ２の位置が中立面１４と第２主面１２との間の第２領域１６にある時は、第２端面６２ａ２，６２ｂ２が第２主面１２に近づく位置に応じて電荷ロスが増大するので感度は低下する。第１領域１５での第２端面６２ａ２，６２ｂ２の位置に依存した感度増加率は、第２領域１６での第２端面６２ａ２，６２ｂ２の位置に依存した感度低下率よりも大きい。よって、第２端面６２ａ２，６２ｂ２の位置を製造（例えばエッチング工程）時に制御する際には、第２端面６２ａ２，６２ｂ２を第１領域１５よりも第２領域１６に設定した方が感度の位置依存性は少ない。

その一方で、第２端面６２ａ２，６２ｂ２は、第１主面１１と中立面１４との間に設定されると、第１外側面電極６２ａ及び第１内側面電極６１ａから成る第１の一対の側面電極６０ａと、第２外側面電極６２ｂ及び第２内側面電極６１ｂから成る第２の一対の側面電極６０ｂとには、電荷ロスを生ずる逆電界は形成されない。

本実施形態は、図１０〜図１２に示すように、溝裾５１が第１主面１１と中立面１４との間にある場合にも適用でき、あるいは溝裾５１が中立面にある場合（図示省略）にも適用できる。図１０では、第２端面６２ａ２，６２ｂ２が中立面１４と実質的に等しい位置に設定される。この場合、第２電界ＥＦ２は生じないので電荷のロスも生じない。図１１では、第２端面６２ａ２，６２ｂ２が中立面１４と第２主面１２との間に設定される。この場合、第２領域１６の第１，第２外側面電極６２ａ，６２ｂ間に第２電界ＥＦ２が生じるが、図６にて第２領域１６での感度低下率は比較的小さい。図１２では、第２端面６２ａ２，６２ｂ２が第１主面１１と中立面１４との間にあり、例えば第１，第２外側面電極６２ａ，６２ｂの長さは第１，第２内側面電極６１ａ，６１ｂと等しく設定される。この場合、第２電界ＥＦ２は生じないので電荷のロスも生じない。なお、図１０〜図１２に示すように、図４に示した一対の溝裾電極７０は設けられない。第１主面１１と中立面１４との間の第１領域１５に一対の溝裾電極７０を設けると、かえって電荷ロスが生じるからである。

５．ジャイロセンサー（角速度センサー）
図１３は、ジャイロセンサー１０００の概略ブロック図である。ジャイロセンサー１０００は、振動片１０と、駆動回路１１００と、検出回路１２００とを含む。振動片１０の例えば基部２０には、駆動端子Ｔ１，Ｔ２と、出力端子Ｓ１，Ｓ２が設けられる。駆動端子Ｔ１，Ｔ２は駆動回路１１００に接続され、出力端子Ｓ１，Ｓ２は検出回路１２００に接続される。駆動回路１１００は、駆動端子Ｔ１，Ｔ２に駆動信号を供給して、図２に示すように駆動部３０を圧電効果により面内振動させる。

検出回路１２００は、２つのＱ／Ｖ変換回路（ＱＶアンプともいう）１２１０，１２２０を有する。２つのＱＶアンプ１２１０，１２２０には、振動片１０の出力端子Ｓ１，Ｓ２を介して、振動片１０の電極の各々に発生する交流電荷がそれぞれ入力され、交流電圧信号ＶＳＰ，ＶＳＭに変換する。出力端子Ｓ１，Ｓ２からの交流電荷は互いに１８０°位相が異なっており、振幅が等しい。従って、ＱＶアンプ１２１０，１２２０を同じ回路かつ同じレイアウトとすることで、図１４に示すように、ＱＶアンプ１２１０，１２２０は、互いに１８０°位相が異なり、振幅が等しい交流電圧信号ＶＳＰ，ＶＳＭを出力する。交流電圧信号ＶＳＰ，ＶＳＭの振幅は、振動片１０に加わるコリオリ力の大きさ（角速度の大きさ）に応じて変化する。しかも、本実施形態では上述した通り電荷ロスを少なくできるので、交流電圧信号ＶＳＰ，ＶＳＭの振幅を大きくできる。

検出回路１２００では、ＱＶアンプ１２１０，１２２０の出力信号を、差動増幅回路１２３０にて差動増幅する。それにより、交流電圧信号ＶＳＰ，ＶＳＭの各振幅の２倍の振幅信号が生成される。その後、駆動回路１１００からの参照信号に基づいて、同期検波回路１２４０にて同期検波を行う。それにより、角速度成分のみが検出され、角速度の大きさに応じた電圧レベルの信号（角速度信号）を生成する。この角速度信号は、外部出力端子を介して外部に出力され、例えば、マイクロコンピューターにおいてＡ／Ｄ変換され、角速度データとして種々の処理に用いられる。なお、検出回路１０００にＡ／Ｄ変換器を内蔵し、角速度を表すデジタルデータを、例えば、シリアルインターフェースを介して外部に出力するようにしてもよい。

６．振動片の変形例
図１５〜図１７は、振動片１０に形成される電極配置の変形例を示している。図１５に示す検出部４０（第３振動腕４１）は、第２主面１２にて間隔を隔てて形成される第１主面電極８１及び第２主面電極８２を含む一対の主面電極８０をさらに有する。第１主面電極８１は第１溝裾電極７１と導通する出力端子Ｓ２に接続され、第２主面電極８２は第２溝裾電極７２と導通する出力端子Ｓ１と接続される。

一対の主面電極８０と一対の溝裾電極７０と共に、中立面１４よりも第２主面１２側の第２領域１６に位置するので、検出時に生ずる第２電界ＥＦ２の方向が一致する。従って、第１主面電極８１と第１溝裾電極７１とを導通させ、第２主面電極８２と第２溝裾電極７２と導通させても、電荷のロスは生じない。また、一対の主面電極８０の増設により電極面積が増えるので、電荷を増加することができる。

図１６に示す検出部４０（第３振動腕４１）では、第１外側面電極６２ａ及び第２外側面電極６２ｂの各々は、接地電極とされている。図１６に示すように、外側面電極６２（６２ａ，６２ｂ）を接地電極としても、第１，第２の一対の側面電極６０ａ，６０ｂと一対の溝裾電極７０に生ずる電界の方向は図４と同じであるので、電荷のロスは生じない。しかも、接地された外側面電極６２（第１外側面電極６２ａ及び第２外側面電極６２ｂ）により、第１内側面電極６１ａ、第２内側面電極６１ｂ及び一対の溝裾電極７０をシールドすることができ、外部ノイズの悪影響を低減できる。なお、図１６の構造にも図１５に追加された一対の主面電極８０を設けることができる。

図１７に示す検出部４０（第３振動腕４１）では、第１内側面電極６１ａ及び第２内側面電極６１ｂの各々は、接地電極とされている。この場合、第１内側面電極６１ａ及び第２内側面電極６１ｂは溝裾５１に形成される電極により導通とされる。つまり、溝部５０内に導電膜を形成した後、所定パターンエッチングする工程を排除することができるので、製造が容易となる。図１７に示すように、内側面電極６１（６１ａ，６１ｂ）を接地電極としても、第１，第２の一対の側面電極６０ａ，６０ｂと一対の溝裾電極７０に生ずる電界の方向は図４と同じであるので、電荷のロスは生じない。しかも、接地された内側面電極６１（第１内側面電極６１ａ及び第２内側面電極６１ｂ）により、外部ノイズの悪影響を低減できる。なお、図１７の構造にも図１５に追加された一対の主面電極８０を設けることができる。

７．振動片の製造方法
先ず、図１に示すように、振動片１０のうち電極が形成されない振動片本体を、圧電体を例えばドライエッチング加工することで形成する。最初に、図１８（Ａ）に示す第１，第２主面１１，１２及び外側面１３（１３ａ，１３ｂ）を有する外形がエッチング加工され、次に検出部４０に溝５０がエッチング加工される。溝５０の溝裾５１の位置は、例えばエッチング時間を制御することで所望の位置に設定される。

次に、図１８（Ｂ）に示す第１，第２主面１１，１２及び外側面１３（１３ａ，１３ｂ）に導体膜９０が成膜される。第２主面１２は載置面となるので膜形成されない。その後、導体膜９０上にパターニングされたレジスト膜９１，９２が形成される。パターニングはフォトリソグラフィ工程により実施される。

最後に、図１８（Ｃ）に示すようにレジスト膜９１，９２で覆われていない導体膜９０がエッチングにより除去され、振動片１０が完成する。

８．電子機器及び移動体
図１９は電子機器の一具体例としてのスマートフォン１０１を概略的に示す。スマートフォン１０１には振動片１０を有するジャイロセンサー１０００が組み込まれる。ジャイロセンサー１０００はスマートフォン１０１の姿勢を検出することができる。いわゆるモーションセンシングが実施される。ジャイロセンサー１０００の検出信号は例えばマイクロコンピューターチップ（ＭＰＵ）１０２に供給することができる。ＭＰＵ１０２はモーションセンシングに応じて様々な処理を実行することができる。その他、モーションセンシングは、携帯電話機、携帯型ゲーム機、ゲームコントローラー、カーナビゲーションシステム、ポインティングデバイス、ヘッドマウンティングディスプレイ、タブレットパソコン等の各種電子機器で利用されることができる。

図２０は電子機器の他の具体例としてのデジタルスチルカメラ（以下「カメラ」という）１０３を概略的に示す。カメラ１０３には振動片１０を有するジャイロセンサー１０００が組み込まれる。ジャイロセンサー１０００はカメラ１０３の姿勢を検出することができる。ジャイロセンサー１０００の検出信号は手ぶれ補正装置１０４に供給することができる。手ぶれ補正装置１０４はジャイロセンサー１０００の検出信号に応じて例えばレンズセット１０５内の特定のレンズを移動させることができる。こうして手ぶれを補正することができる。その他、手ぶれ補正はデジタルビデオカメラで利用されることができる。

図２１は移動体の一具体例としての自動車１０６を概略的に示す。自動車１０６には振動片１０を有するジャイロセンサー１０００が組み込まれる。ジャイロセンサー１０００は車体１０７の姿勢を検出することができる。ジャイロセンサー１０００の検出信号は車体姿勢制御装置１０８に供給することができる。車体姿勢制御装置１０８は例えば車体１０７の姿勢に応じてサスペンションの硬軟を制御し、個々の車輪１０９のブレーキを制御することができる。その他、姿勢制御は二足歩行ロボットや航空機、ヘリコプター等の各種移動体で利用することができる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、上記実施形態および変形例では、振動片としての形成材料として水晶を用いた例を説明したが、水晶以外の圧電体材料を用いることができる。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウムや五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）などの圧電体材料を積層させて構成された積層圧電基板、あるいは圧電セラミックスなどを用いることができる。また、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、ジャイロセンサー１０００や振動片１０、スマートフォン１０１、カメラ１０３、自動車１０６等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

１０ 振動片、１１ 第１主面、１２ 第２主面、１３ 外側面、１３ａ 第１外側面、１３ｂ 第２外側面、２０ 基部、３０ 駆動部、３１ 第１振動腕、３２ 第２振動腕、４０ 検出部、４１ 第３振動腕、４２ 第４振動腕、５０ 溝部、５１ 溝裾、５２ 内側面、５２ａ 第１内側面、５２ｂ 第２内側面、６０ 一対の側面電極、６０ａ 第１の一対の側面電極、６０ｂ 第２の一対の側面電極、６１ 内側面電極、６１ａ 第１内側面電極、６１ｂ 第２内側面電極、６２ 外側面電極、６２ａ 第１外側面電極、６２ａ２ 端面、６２ｂ 第２外側面電極、６２ｂ２ 端面、７０ 一対の溝裾電極、７１ 第１溝裾電極、７２ 第２溝裾電極、８０ 一対の主面電極、８１ 第１の主面電極、８２ 第２の主面電極、１０１，１０３ 電子機器、１０６ 移動体、１２００ 検出回路

Claims (11)

1. 圧電体の第１主面及び前記第１主面に対して前記圧電体の裏面にある第２主面と、前記第１主面と前記第２主面とを接続している外側面と、を含み、前記第１主面と交差する方向に沿って振動する検出部を備え、
   前記検出部は、
   前記第１主面に設けられている開口からの深さ方向にて、前記第１主面と前記第２主面との間の位置に溝裾を有する溝部と、
   前記溝部内に臨む内側面の前記溝部の幅方向の一方に設けられている第１内側面および前記溝部の幅方向の他方に設けられている第２内側面と、
   前記外側面に互いに対向して設けられている第１外側面および第２外側面と、
   前記第１内側面に設けられている第１内側面電極と、前記第１外側面に設けられている第１外側面電極と、
   前記第２内側面に設けられている第２内側面電極と、前記第２外側面に設けられている第２外側面電極と、
   前記第２主面にて間隔をおいて配置される一対の主面電極と、
   を有し
   前記第１外側面と前記第１内側面との間には、前記圧電体を有し、
   前記第２外側面と前記第２内側面との間には、前記圧電体を有し、
   前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極の各々は、前記第１主面から前記第２主面の方向にて前記第２主面側に位置する端面を含み、
   前記第１外側面電極の前記端面から前記第２主面までの領域及び前記第２外側面電極の前記端面から前記第２主面までの領域の少なくとも一方は、電極が設けられていない電極非形成領域であり、
   前記一対の主面電極のうち前記第１外側面側に近い主面電極は、前記第１内面側電極及び前記第２外側面電極と接続され、
   前記一対の主面電極のうち前記第２外側面側に近い主面電極は、前記第２内面側電極及び前記第１外側面電極と接続されることを特徴とする振動片。
2. 圧電体の第１主面及び前記第１主面に対して前記圧電体の裏面にある第２主面と、前記第１主面と前記第２主面とを接続している外側面と、を含み、前記第１主面と交差する方向に沿って振動する検出部を備え、
   前記検出部は、
   前記第１主面に設けられている開口からの深さ方向にて、前記第１主面と前記第２主面との間の位置に溝裾を有する溝部と、
   前記溝部内に臨む内側面の前記溝部の幅方向の一方に設けられている第１内側面および前記溝部の幅方向の他方に設けられている第２内側面と、
   前記外側面に互いに対向して設けられている第１外側面および第２外側面と、
   前記第１内側面に設けられている第１内側面電極と、前記第１外側面に設けられている第１外側面電極と、
   前記第２内側面に設けられている第２内側面電極と、前記第２外側面に設けられている第２外側面電極と、
   前記第２主面にて間隔をおいて配置される一対の主面電極と、
   を有し
   前記第１外側面と前記第１内側面との間には、前記圧電体を有し、
   前記第２外側面と前記第２内側面との間には、前記圧電体を有し、
   前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極の各々は、前記第１主面から前記第２主面の方向にて前記第２主面側に位置する端面を含み、
   前記第１外側面電極の前記端面から前記第２主面までの領域及び前記第２外側面電極の前記端面から前記第２主面までの領域の少なくとも一方は、電極が設けられていない電極非形成領域であり、
   前記第１内側面電極及び前記第２内側面電極は接地電極であり、
   前記一対の主面電極のうち前記第１外側面側に近い主面電極は前記第２外側面電極と接続され、
   前記一対の主面電極のうち前記第２外側面側に近い主面電極は前記第１外側面電極と接続されることを特徴とする振動片。
3. 圧電体の第１主面及び前記第１主面に対して前記圧電体の裏面にある第２主面と、前記第１主面と前記第２主面とを接続している外側面と、を含み、前記第１主面と交差する方向に沿って振動する検出部を備え、
   前記検出部は、
   前記第１主面に設けられている開口からの深さ方向にて、前記第１主面と前記第２主面との間の位置に溝裾を有する溝部と、
   前記溝部内に臨む内側面の前記溝部の幅方向の一方に設けられている第１内側面および前記溝部の幅方向の他方に設けられている第２内側面と、
   前記外側面に互いに対向して設けられている第１外側面および第２外側面と、
   前記第１内側面に設けられている第１内側面電極と、前記第１外側面に設けられている第１外側面電極と、
   前記第２内側面に設けられている第２内側面電極と、前記第２外側面に設けられている第２外側面電極と、
   前記第２主面にて間隔をおいて配置される一対の主面電極と、
   を有し
   前記第１外側面と前記第１内側面との間には、前記圧電体を有し、
   前記第２外側面と前記第２内側面との間には、前記圧電体を有し、
   前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極の各々は、前記第１主面から前記第２主面の方向にて前記第２主面側に位置する端面を含み、
   前記第１外側面電極の前記端面から前記第２主面までの領域及び前記第２外側面電極の前記端面から前記第２主面までの領域の少なくとも一方は、電極が設けられていない電極非形成領域であり、
   前記第１外側面電極及び前記第２外側面電極は接地電極であり、
   前記一対の主面電極のうち前記第１外側面側に近い主面電極は前記第１内側面電極と接続され、
   前記一対の主面電極のうち前記第２外側面側に近い主面電極は前記第２内側面電極と接続されることを特徴とする振動片。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動片において、
   前記端面は、中立面と実質的に等しい位置に有することを特徴とする振動片。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動片において、
   前記端面は、中立面と前記第２主面との間に有することを特徴とする振動片。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動片において、
   前記端面は、前記第１主面と中立面との間に有することを特徴とする振動片。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動片において、
   前記溝裾は、前記開口からの深さ方向にて、中立面を超える位置に配置されることを特徴とする振動片。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動片において、
   前記溝裾は、前記開口からの深さ方向にて、中立面と実質的に等しい位置、または前記中立面を超えない位置に配置されることを特徴とする振動片。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載の振動片と、
   前記振動片の前記第１主面と交差する方向に沿った振動に基づいて角速度を検出する検出回路と、
   を有することを特徴とする角速度センサー。
10. 請求項９に記載の角速度センサーを有することを特徴とする電子機器。
11. 請求項９に記載の角速度センサーを有することを特徴とする移動体。

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