JP2010071758A - 角速度センサ素子、角速度センサ及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した感度特性と低い電源電圧抑圧比を持つ角速度センサを提供すること。
【解決手段】本発明に係る角速度センサ素子１０は、駆動用の２本の外側アーム１２Ａ及び１２Ｂと、当該２本のアームの中央に配置された、検出用の一本の中央アーム１２Ｃを有する。各々のアーム１２には、下部電極層１６、圧電層１５、上部電極層１４が積層されてなる圧電機能体１３が設けられている。外側アーム１２Ａ及び１２Ｂに設けられる圧電機能体１３Ａ及び１３Ｂは、駆動用であり、中央アーム１２Ｃに設けられる圧電機能体１３Ｃは検出用である。圧電機能層１３Ｃは、離間して配置された圧電機能層１３Ｃ_１、１３Ｃ_２によって構成される。駆動、検出に係るアーム１２が別々であり、検出用の圧電機能層１３Ｃ_１、１３Ｃ_２が離間していることにより、駆動、検出電極間でのリーク電圧を抑制し、Ｎｕｌｌ電圧、電源電圧変動抑圧比を低減することが可能である。
【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素子及び角速度センサに関する。

従来より、民生用の角速度センサとしては、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が広く用いられている。振動型ジャイロセンサは、単純な機構、短い起動時間、安価に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、他の用途に用いられる各種センサと組み合わせて同一集合基板上に搭載し、小型化を図るといった要請がある。この小型化を行う上で、シリコン（Ｓｉ）などの単結晶基板と、半導体製造分野で用いられている薄膜形成プロセスと、フォトリソグラフィ技術とを用いて構造体を形成する、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）と呼ばれる加工技術を用いることが一般的となってきている。

下記特許文献１には、振動子を構成する単一のアーム部の一表面に、圧電膜を介して励振用の駆動電極と角速度検出用の検出電極がそれぞれ形成された片持ち梁型の角速度センサが開示されている。この角速度センサは、圧電膜の形成面に垂直な方向にアーム部を励振させ、圧電膜の形成面と平行な方向の振動成分を角速度の検出方向としたものである。

また、下記特許文献２には、振動子を構成する２本のアーム部の各々の一表面に、圧電膜を介して励振用の駆動電極と角速度検出用の検出電極がそれぞれ形成された音叉型の角速度センサが開示されている。この角速度センサは、圧電膜の形成面に水平な方向にアーム部を励振させ、圧電膜の形成面と垂直な方向への振動を角速度検出方向としている。

特開２００５−２４１３８２号公報 特開２００６−１７５６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の角速度センサは、駆動電極と検出電極が１つの連続する圧電膜上に形成されている。駆動電極は外部から電圧を印加されて圧電膜を振動させ、検出電極は圧電膜の振動を受けて電圧を得る。すなわち、単一の圧電膜において、圧電効果と逆圧電効果が同時に発生する。このため、両者が干渉し、角速度の検出精度に影響を与えるおそれがある。また、駆動電極に印加された電圧が検出電極に流入するリーク電圧が発生する可能性もある。特に、左右の検出電極へのリーク電圧が不均一である場合、電源電圧変動抑圧比（ＰＳＲＲ：Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ）が悪化する。なお、電源電圧変動抑圧比は、電源電圧が変動した時の検出感度が変化する割合をいい、値が低いほど外乱の影響を受け難い。

また、特許文献２に記載の角速度センサは、各アームが圧電膜の形成面に平行な方向で励振されるように形成されている。このため圧電膜による振動の剛心が振動子の重心からずれた位置となり、外乱信号の重畳により駆動周波数にずれが生じると、共振状態の振動子の振動面がずれ易くなる。この結果、角速度が生じていない状態で検出出力が変動することになり、ノイズが増加するおそれがある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、安定した感度特性と低い電源電圧変動抑圧比を持つ角速度センサを提供することを課題とする。

本発明の一形態に係る角速度センサ素子は、本体と、第１の検出用圧電膜と、第２の検出用圧電膜と、駆動用圧電膜とを具備する。
前記本体は、第１の位相で振動する振動子部と、前記第１の位相と逆の第２の位相で振動する振動子部とを含む３本の振動子部を有する。
前記第１の検出用圧電膜は、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、第１の位相で振動する振動子部の振動を検出する。
前記第２の検出用圧電膜は、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１の検出用圧電機能層と分離された、第１の振動子部の振動を検出する。
前記駆動用圧電膜は、前記第２の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１及び第２の検出用圧電膜と分離され、第２の振動子部を振動させる。

第1及び第２の検出用圧電膜は、互いに、及び駆動用圧電膜と分離されて配置されているため、圧電効果と逆圧電効果が同時に発生することがなく、両者が干渉することはない。また、駆動電極と検出電極との間のリーク電圧が発生せず、電源電圧変動抑圧比を低下させることが可能である。

前記３本の振動子部は、以下のように構成される、第１及び第２の振動子部と、第３の振動子部であってもよい。
前記第１及び第２の振動子部は、前記第２の位相で振動する。
前記第３の振動子部は、前記第１及び第２の振動子部の間に位置し、前記第１の位相で振動する。

第１及び第２の検出用圧電膜が形成される第３の振動子部が、駆動用圧電膜が形成される第１及び第２の振動子部の間に配置されることにより、当該角速度センサ素子に角速度が与えられた際に、第１及び第２の検出用圧電膜により第３の振動子部に発生するコリオリ力を検出することが可能である。

前記角速度センサ素子は、以下のように構成される、第１の電極と、第２の電極とをさらに具備してもよい。
前記第１の電極は、前記第１の検出用圧電膜を挟んで対向する第１の上部電極層と第１の下部電極層とを有する。
前記第２の電極は、前記第１の電極と分離して配置され、前記第２の検出用圧電膜を挟んで対向する第２の上部電極層と第２の下部電極層とを有する。

第１の電極と、第２の電極が相互に分離されていることにより、第１の電極と、第２の電極間のリーク電流の発生を抑制することが可能である。

前記角速度センサ素子は、以下のように構成される、固定部と、連結部と、支持部とを有していてもよい。
前記固定部は、第１の方向に幅方向、及び、前記第１の方向と直交する第２の方向に厚み方向を有し、実装基板に固定される。
前記連結部は、前記３本の振動子部を連結する。
前記支持部は、前記固定部と前記連結部との間に接続され、前記固定部の厚みより小さい厚みと前記固定部の幅より小さい幅を有する。

上記角速度センサ素子は、固定部と振動子部との間に固定部よりも幅の小さい支持部を有することで、振動子の振動が固定部や実装基板に漏出することを抑制できる。これにより、振動の漏出による振動子部の振動の変動を防止することが可能となる。

前記３本の振動子部は、第１及び第２の振動子部と、第３の振動子部であってもよい。
前記第１及び第２の振動子部は、前記第１の位相で振動する。
前記第３の振動子は、前記第１及び第２の振動子の間に位置し、前記第２の位相で振動する。

本発明の一形態に係る角速度センサは、角速度センサ素子と、回路基板とを具備する。
前記角速度センサ素子は、第１の位相で振動する振動子部と、前記第１の位相と逆の第２の位相で振動する振動子部とを含む３本の振動子部を有する本体と、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、前記第１の位相で振動する振動子部の振動を検出するための第１の検出用圧電膜と、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１の検出用圧電膜と分離された、前記第１の振動子部の振動を検出するための第２の検出用圧電膜と、前記第２の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１及び第２の検出用圧電膜と分離された、第２の振動子部を振動させるための駆動用圧電膜とを有する。
前記回路基板は、前記角速度センサ素子が実装される。

本発明の一形態に係る電子機器は、角速度センサ素子と、回路基板とを具備する角速度センサを搭載する。
前記角速度センサ素子は、第１の位相で振動する振動子部と、前記第１の位相と逆の第２の位相で振動する振動子部とを含む３本の振動子部を有する本体と、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、前記第１の位相で振動する振動子部の振動を検出するための第１の検出用圧電膜と、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１の検出用圧電膜と分離された、前記第１の振動子部の振動を検出するための第２の検出用圧電膜と、前記第２の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１及び第２の検出用圧電膜と分離された、第２の振動子部を振動させるための駆動用圧電膜とを有する。
前記回路基板は、前記角速度センサ素子が実装される。

以上のように、本発明によれば、安定した感度特性と低い電源電圧変動抑圧比を持つ角速度センサを提供することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、角速度センサ素子１０を示す斜視図である。
図２は、角速度センサ素子１０の階層構造を示す斜視図である。
図３は、角速度センサ素子１０を示す平面図である。
本実施形態に係る角速度センサ素子１０は、連結部１１と、連結部１１から同一方向へ延出された断面四角形状の３本のアーム１２（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）とを備える。３本のアーム１２は横並びに（平面的に）配列している。３本のアーム１２が配列する方向をＸ軸方向とし、３本のアーム１２が延出される方向をＹ軸方向とする。Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とする。以下の図においても同様とする。

これら連結部１１及びアーム１２は、シリコンウェハ等の圧電特性を有さない単結晶基板から所定形状に切りだされ、一表面に、後述する駆動部あるいは検出部、各種リード配線部が形成されることによって、角速度センサ素子１０を構成する。なお、この角速度センサ素子１０の概ねの大きさは、Ｘ軸方向０．５ｍｍ、Ｙ軸方向３ｍｍ、Ｚ軸方向０．３ｍｍである。各アーム１２の長さ（Ｙ軸方向）は１．８〜１．９ｍｍ、幅（Ｘ軸方向）は０．１ｍｍである。

アーム１２Ａ〜１２Ｃは、角速度センサ素子１０の振動子を構成する。本実施形態に係る角速度センサ素子１０において、各アーム１２Ａ〜１２Ｃは、例えば、それぞれ同一のアーム長、幅、厚さに形成されているが、これに限られない。アーム１２Ａ〜１２Ｃのうち、外側に位置するものを、外側アーム１２Ａ及び１２Ｂとし、中央に位置するものを中央アーム１２Ｃとする。以下、各アーム１２（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）に設けられる構造に、対応する符号（Ａ、Ｂ、Ｃ）を付する。

角速度センサ素子１０は、角速度センサ素子１０を図示しない実装基板に固定するための固定部１７と、固定部１７と連結部１１との間を支持する支持部１８を有する。

支持部１８は、連結部１１及び固定部１７より小さい幅（Ｘ軸方向）に形成される。支持部１８の幅を調節することによりアーム１２から固定部へ伝わる振動を減衰させ、アーム１２の振動が固定部１７及び固定部１７と固定された実装基板へ漏出することを防止することが可能である。

固定部１７は、角速度センサ素子１０を実装基板に物理的に固定し、電気的に接続することが可能に構成される。
図２及び図３に示すように、角速度センサ素子１０の連結部１１には、外部接続端子１９が形成され、各上部電極層（１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ_１、１４Ｃ_２）、各下部電極層（１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ_１、１６Ｃ_２）がそれぞれ、配線２０を介して外部接続端子１９と接続されている。
本実施形態に係る角速度センサ素子１０は、後述する制御回路３０を備えた図示しない実装基板（回路基板）にフリップチップ実装により実装される。角速度センサ素子１０と上記実装基板との間は、角速度センサ素子１０の外部接続端子１９と上記実装基板上の電極パターン（ランド）と、これらの間に形成されたバンプ（金バンプ）を介して電気的、機械的に接続される。実装方法はこれに限られず、配線あるいは外部接続端子の構成も図示するものに限られない。また、実装前に、角速度センサ素子１０の圧電機能体１３及び配線２０上に、図示しない保護膜が形成される。

角速度センサ素子１０と上記実装基板とにより角速度センサが構成され、例えばセンサモジュールとしてパッケージ化される。更に、この角速度センサ素子は、上記実装基板を介して、電子機器の制御回路（図示せず）に接続される。当該電子機器としては、例えばデジタルカメラ、携帯型情報端末、携帯型ゲーム機、ハンドヘルド型表示装置などが該当する。

図４は、アーム１２Ａ〜１２Ｃの、Ｘ−Ｚ平面の断面図である。
図４は、図３における一点鎖線［４］―［４］で示す箇所の断面図である。
外側アーム１２Ａ、１２Ｂの一表面には、圧電機能体１３Ａ、１３Ｂがそれぞれ形成されている。圧電機能体１３Ａ、１３Ｂは、外側アーム１２Ａ、１２Ｂ上に形成された下部電極層１６Ａ、１６Ｂと、この下部電極層１６Ａ、１６Ｂの上に形成された圧電層１５Ａ、１５Ｂと、この圧電層１５Ａ、１５Ｂの上に形成された上部電極層１４Ａ、１４Ｂによって構成されている。

一方、中央アーム１２Ｃの一表面には、２つの圧電機能体１３Ｃ（１３Ｃ_１、１３Ｃ_２）が形成されている。圧電機能体１３Ｃ（１３Ｃ_１、１３Ｃ_２）は、中央アーム１２Ｃ上に形成された下部電極層１６Ｃ（１６Ｃ_１、１６Ｃ_２）と、この下部電極層１６Ｃの上に形成された圧電層１５Ｃ（１５Ｃ_１、１５Ｃ_２）と、この圧電層１５Ｃの上に形成された上部電極層１４Ｃ（１４Ｃ_１、１４Ｃ_２）によって構成されている。圧電機能体１３Ｃ_１、１３Ｃ_２は、中央アーム１２Ｃの一表面のＹ軸方向における中心線に対して対称な位置にそれぞれ形成されている。

下部電極層１６Ｃ_１、圧電層１５Ｃ_１、上部電極層１４Ｃ_１が積層されて形成される圧電機能層１３Ｃ_１と、下部電極層１６Ｃ_２、圧電層１５Ｃ_２、上部電極層１４Ｃ_２が積層されて形成される圧電機能層１３Ｃ_２とは、離間するように配置されている。

下部電極層１６Ａ〜１６Ｃは、Ｓｉ基板にスパッタ法で形成したＴｉ（チタン）とＰｔ（白金）の積層膜からなり、各アーム１２Ａ〜１２Ｃ上に形成されている。圧電層１５Ａ〜１５Ｃは、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）のターゲットを酸素雰囲気中でＲＦスパッタすることで形成される。上部電極層１４Ａ〜１４Ｃは、圧電層１５Ａ〜１５Ｃ上に、例えばＰｔをスパッタすることで成膜される。さらに、フォトリソグラフィ技術を用いて各電極形状にパターニングし、エッチングやリフトオフをすることによって各種パターンが形成される。

ＰＺＴの組成は、Ｐｂ_１＋Ｘ（Ｚｒ_ＹＴｉ_１−Ｙ）Ｏ_３＋Ｘで表すことができる。具体的なＰＺＴの組成は、例えば、Ｘを０以上０．３以下、Ｙを０以上０．５５以下とすることができる。この場合のＰＺＴの膜厚は、例えば、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。

図５は、角速度センサ素子１０と制御回路との電気的接続を示す模式図である。
同図に示すように、角速度センサ素子１０は、ＩＣ回路素子等によって構成される制御部３０と接続される。この制御部３０は例えば、上述の実装基板上に設けられる。
制御部３０は、演算回路３１、自励発振回路３２、検波回路３３、平滑回路３４から構成され、Ｇ０端子、Ｇａ端子、Ｇｂ端子、Ｖｒｅｆ端子を有する。各回路の接続及び機能は後述する。

角速度センサ素子１０の下部電極層１６Ａ〜１６Ｃは、制御部３０のＶｒｅｆ端子にそれぞれ接続され、各圧電機能体１５の基準電極として機能する。

上部電極層１４Ａ、１４Ｂは、制御部３０のＧ０端子にそれぞれ接続される。上部電極層１４Ａ及び１４Ｂには、制御部３０によって生成された駆動信号が入力される。すなわち、上部電極層１４Ａ及び１４Ｂは、アーム１２Ａ及び１２Ｂを励振する駆動電極として機能する。

上部電極層１４Ｃ_１は、制御部３０のＧａ端子に接続され、上部電極層１４Ｃ_２は、制御部３０のＧｂ端子に接続される。上部電極層１４Ｃ_１及び１４Ｃ_２からの検出信号が、制御部３０に入力され、角速度が検出される。すなわち、上部電極層１４Ｃ_１及び１４Ｃ_２は、アーム１２Ｃの振動を検出する検出電極として機能する。

以上のように構成された角速度センサ素子１０の動作を説明する。

図６は、角速度センサ素子１０の、角速度検出の原理を示す図である。
図６（Ａ）は、角速度センサ素子１０に角速度が印加されていない状態を示す。
制御部３０の自励発振回路３２から、駆動電極である上部電極層１４Ａ及び１４Ｂに同位相の駆動信号が入力される。これにより圧電層１５Ａ及び１５Ｂに電圧が印加され、その圧電効果により外側アーム１２Ａ及び１２Ｂが励振され、同位相で振動する。外側アーム１２Ａ及び１２Ｂが振動する（励振される）方向は、圧電層１５Ａ及び１５Ｂの形成面に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）である。

外側アーム１２Ａ及び１２Ｂが振動すると、中央アーム１２Ｃは、その振動の反作用を受けて外側アーム１２Ａ及び１２Ｂと逆位相で振動する。図６（Ａ）に、外側アーム１２Ａ及び１２Ｂ、中央アーム１２Ｃの振動方向を白矢印で示す。

この際、各アーム１２はその一端が連結部１１に固定されているため、各アーム１２には、（振動をしていない）初期の位置からの変位に応じて（Ｚ軸方向の）歪みが発生する。
この歪みにより、中央アーム１２Ｃの圧電層１５Ｃ_１及び１５Ｃ_２に圧電効果が発生する。
中央アーム１２ＣはＺ軸方向のみに歪むため、圧電層１５Ｃ_１と圧電層１５Ｃ_２に発生する圧電効果は原理的に同程度となる。

この圧電効果により、上部電極層１４Ｃ_１に圧電層１５Ｃ_１により発生した電流（以下、検出信号Ｇａ）が流れ、上部電極層１４Ｃ_２に圧電層１５Ｃ_２により発生した電流（以下、検出信号Ｇｂ）が流れる。
検出信号Ｇａ及びＧｂは、演算回路３１において加算および減算され、和信号Ｇａ＋Ｇｂ及び差分信号Ｇａ−Ｇｂが生成される。和信号Ｇａ＋Ｇｂは、自励発振回路３２にフィードバックされ、差分信号Ｇａ−Ｇｂは検波回路３３を経て平滑回路３４に出力されて角速度信号として処理される。角速度センサ素子１０に角速度が印加されていない場合、角速度信号は（原理的に）０となる。

図６（Ｂ）は、角速度センサ素子１０に角速度が印加されている状態を示す。
図６（Ａ）に示す、各アーム１２が振動している状態において、角速度センサ素子１０にＹ軸周りの角速度が印加されると、各アーム１２にコリオリ力が発生する。コリオリ力は、物体の移動方向に垂直な方向に発生するため、図６（Ａ）に示す状態において、Ｚ軸方向である振動方向に対して垂直な方向（主としてＸ軸方向）に発生する。すなわち、各アーム１２は、励振によるＺ軸方向成分（白矢印）とコリオリ力によるＸ軸方向成分（黒矢印）の合成成分の力を受けて、Ｚ軸方向を長径とする楕円軌道をとって運動する。

この際、各アーム１２はその一端が連結部１１に固定されているため、各アーム１２には、（振動をしていない）初期の位置からの変位に応じて歪みが発生する。この歪みにより圧電層１５Ｃ_１及び１５Ｃ_２に圧電効果が発生する。中央アーム１２ＣはＺ軸方向に加え、Ｘ軸方向にも歪むため、圧電層１５Ｃ_１と圧電層１５Ｃ_２に発生する圧電効果は、一方が圧縮作用、他方が伸長作用を受けることで、相違する。したがって、上部電極１４Ｃ_１（検出信号Ｇａ）、１４Ｃ_２（検出信号Ｇｂ）にはそれぞれ異なる電圧が発生する。

この圧電効果により、検出信号Ｇａ及びＧｂが得られ、制御部３０に入力される。
演算回路３１において差分信号Ｇａ−Ｇｂが算出されると、（１５Ｃ_１及び１５Ｃ_２のＺ軸方向の圧電効果は同程度であるため）Ｚ軸方向の信号が除去され、コリオリ力に起因する主としてＸ軸方向の成分が抽出される。以上により、角速度信号が得られる。

本実施形態に係る角速度センサ素子１０においては、外側アーム１２Ａ及び１２Ｂに駆動電極（上部電極層１４Ａ、１４Ｂ）が形成され、中央アーム１２Ｃに検出電極（上部電極層１４Ｃ_１、１４Ｃ_２）が形成される。すなわち、外側アーム１２Ａ及び１２Ｂ上の圧電層１５Ａ及び１５Ｂは駆動を担当し、中央アーム１２Ｃ上の圧電層１５Ｃ_１及び１５Ｃ_２は検出を担当する。上述のように、駆動を担当する圧電層においては圧電効果が、検出を担当する圧電層においては逆圧電効果が発生するが、圧電層が分離していることによって両者の干渉は発生しない。

同一のアーム上に駆動電極と検出電極が存在する場合、両者は近接するため、駆動電極に印加した電圧が検出電極に漏出し、リーク電圧となる。特に、２つの検出電極へのリーク電圧に差異がある場合、Ｎｕｌｌ電圧（角速度が印加されていない状態において、２つの検出電極が検出する電圧の差の絶対値）が上昇し、電源電圧変動抑圧比も上昇するおそれがある。逆に、Ｎｕｌｌ電圧が低いと、検出信号Ｇａ及びＧｂのバラツキが減少する。また、ＰＳＲＲが低いと、電源電圧が変動しても、検出信号Ｇａ及びＧｂのバラツキが減少する。

図１１は、２つの検出電極間のリーク電圧差と、Ｎｕｌｌ電圧の関係をプロットしたグラフである。同図に示すように、２つの検出電極間のリーク電圧差と、Ｎｕｌｌ電圧間には相関関係が認められる。

図１２は、本実施形態に係る角速度センサ素子１０（サンプル１）と、比較例１に係る角速度センサ素子４０（サンプル２：下記、比較例参照）及び比較例２に係る角速度センサ素子５０（サンプル３：下記、比較例参照）について、２つの検出電極間のリーク電圧を測定した結果を示す。なお、実験に用いた各サンプルには、実装基板（回路基板）上に上記角速度センサ素子が実装されたセンサモジュール（角速度センサ）を用いた。

リーク電圧は、駆動電極に駆動電圧１．０Ｖ（ＤＣ）を印加したときの、左右それぞれの検出電極（上層電極と下層電極との間）にかかる電圧を測定し、駆動電圧との比を表したものである。
図１２における左検出と右検出は、固定部から見た場合の左右それぞれの検出電極におけるリーク電圧を指す。測定数は、無作為に抽出した４素子である。
本実施形態に係る角速度センサ素子１０においては、比較例に係る角速度センサ素子に比べリーク電圧が小さいことがわかった。サンプル１とサンプル２の違いは、左右の検出電極が同一圧電膜上にあるか異なる圧電膜上にあるかの構成の違いに基づく。したがって、サンプル１によれば、サンプル２と比較して、圧電膜間の相互作用を回避できることから、角速度の検出精度を高めることができる。

図１３は、Ｎｕｌｌ電圧とＰＳＲＲの関係をプロットしたグラフである。
同図に示すように、Ｎｕｌｌ電圧の上昇に伴い、ＰＳＲＲも増加する。ＰＳＲＲは、センサモジュ−ル（角速度センサ）の入力電圧３．０Ｖに対して±０．５Ｖの正弦波を印加したときの出力電圧変動量であり、角速度センサ素子の特性を表すものである。

図１４は、本実施形態に係る角速度センサ素子１０（サンプル１）と、比較例１に係る角速度センサ素子４０（サンプル２：下記、比較例参照）及び比較例２に係る角速度センサ素子５０（サンプル３：下記、比較例参照）について、無作為に抽出した７素子のＰＳＲＲを測定した結果を示す。
本実施形態に係る角速度センサ素子１０においては、比較例に係る角速度センサに比べ、ＰＳＲＲが低いことがわかった。

また、同一の圧電層上に駆動電極と検出電極を形成した場合、印加された駆動電圧により微小電流が発生して発熱し、当該圧電層の圧電特性が変動し得る。これは、当該圧電層上に形成された検出電極から得られる検出信号に変動をもたらす。

図１５は、本実施形態に係る角速度センサ素子１０（サンプル１)と、比較例１に係る角速度センサ素子４０(サンプル２：下記比較例参照）及び比較例２に係る角速度センサ素子５０（サンプル３：下記、比較例参照）について、感度変化率を測定した結果を示す。
同図は、リフロー後経過時間と、感度変化率の関係をプロットしたグラフである。
リフロー経過時間とは、角速度センサを実装基板上に、リフローにより熱実装した時点からの経過時間である。感度変化率は、リフロー後の各経過時間における感度とリフロー前の感度の差をリフロー前の感度で除して算出した。この感度変化率の経時変化は、駆動電極による圧電層への電圧印加によって発生する圧電層の発熱が、検出信号に与える影響とみることができる。ここでは、角速度がπ／２［ｒａｄ／ｓ］（９０［ｄｅｇ／ｓ］）のときの検出電圧が６０ｍＶである感度特性を有する角速度センサ素子をサンプルとして使用した。
本実施形態に係る角速度センサ素子１０においては、測定範囲のいずれの時点においても、感度変化率が低いことがわかった。

上述の測定結果が示すように、本実施形態に係る角速度センサ素子１０においては、駆動電極と検出電極が別のアーム１２上に形成され、かつ、中央アーム１２上に形成された圧電機能層１３Ｃ_１及び１３Ｃ_２が離間して配置されていることにより、角速度センサとしての優れた特性を有する。

本発明の他の実施形態に係る角速度センサ素子６０について説明する。本実施形態以降においては、上記実施形態と同一の構成等には同一の符号を付しその説明を省略し、異なる箇所を中心に説明する。

図７は、角速度センサ素子６０を示す平面図である。
本実施形態に係る角速度センサ素子６０は、連結部６１と、連結部６１から同一方向へ延出された断面四角形状の３本のアーム６２（６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ）とを備える。３本のアーム１２は横並びに（平面的に）配列している。

アーム６２Ａ〜６２Ｃのうち、外側に位置するものを、外側アーム６２Ａ及び６２Ｂとし、中央に位置するものを中央アーム６２Ｃとする。以下、各アーム６２（６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ）に設けられる構造に、対応する符号（Ａ、Ｂ、Ｃ）を付する。

角速度センサ素子６０は、角速度センサ素子６０を図示しない実装基板に固定するための固定部６７と、固定部６７と連結部６１との間を支持する支持部６８を有する。
角速度センサ素子６０の連結部６１には、外部接続端子６９が形成され、各電極が、配線７０を介して外部接続端子６９と接続されている。

図８は、アーム６２Ａ〜６２Ｃの、Ｘ−Ｚ平面の断面図である。
図８は、図７における一点鎖線［８］―［８］で示す箇所の断面図である。
外側アーム６２Ａ、６２Ｂの一表面には、圧電機能体６３Ａ、６３Ｂがそれぞれ形成されている。圧電機能体６３Ａ、６３Ｂは、外側アーム６２Ａ、６２Ｂ上に形成された下部電極層６６Ａ、６６Ｂと、この下部電極層６６Ａ、６６Ｂの上に形成された圧電層６５Ａ、６５Ｂと、この圧電層６５Ａ、６５Ｂの上に形成された上部電極層６４Ａ、６４Ｂによって構成されている。上部電極層６４Ａ及び６４Ｂは、各外側アーム６２Ａ及び６２Ｂ上の、中央アーム６２Ｃ側に偏って形成されている。

一方、中央アーム６２Ｃの一表面には、圧電機能体６３Ｃが形成されている。圧電機能体６３Ｃは、中央アーム６２Ｃ上に形成された下部電極層６６Ｃと、この下部電極層６６Ｃの上に形成された圧電層６５Ｃと、この圧電層６５Ｃの上に形成された上部電極層６４Ｃによって構成されている。

角速度センサ素子６０は、角速度センサ素子１０と同様に制御部３０に電気的に接続される。
角速度センサ素子６０の下部電極層６６Ａ〜６６Ｃは、制御部３０のＶｒｅｆ端子にそれぞれ接続され、各圧電機能体６３の基準電極として機能する。

上部電極層６４Ｃは、制御部３０のＧ０端子にそれぞれ接続される。上部電極層６４Ｃには、制御部３０によって生成された駆動信号が入力される。すなわち、上部電極層６４Ｃは、アーム６２Ｃを励振する駆動電極として機能する。

上部電極層６４Ａは制御部３０のＧａ端子に接続され、上部電極層６４Ｂは制御部３０のＧｂ端子に接続される。上部電極層６４Ａ及び６４Ｂからの検出信号が、制御部３０に入力され、角速度が検出される。すなわち、上部電極層６４Ａ及び６４Ｂは、アーム６２Ａ及び６２Ｂの振動を検出する検出電極として機能する。

本実施形態に係る角速度センサ素子６０の動作を説明する。

角速度センサ素子６０に角速度が印加されていない状態の動作は以下のようになる。
制御部３０の自励発振回路３２から、駆動電極である上部電極層６４Ｃに同位相の駆動信号が入力される。これにより圧電層６５Ｃに電圧が印加され、その圧電効果により中央アーム６２Ｃが励振され振動する。中央アーム６２Ｃが振動する（励振される）方向は、圧電層６５Ｃの形成面に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）である。

中央アーム６２Ｃが振動すると、外側アーム６２Ａ及び６２Ｂは、その振動の反作用を受けて中央アーム６２Ｃと逆位相で振動する。

この振動により圧電層６５Ａと６５Ｂに圧電効果が発生し、検出信号Ｇａ及びＧｂが得られる。

角速度センサ素子６０に角速度が印加されている状態の動作は以下のようになる。
上述のように、各アーム６２が振動している状態において、角速度センサ素子６０にＹ軸周りの角速度が印加されると、各アーム６２にコリオリ力が発生する。
このコリオリ力に起因する、外側アーム６２Ａ及び６２Ｂの歪みにより圧電層６５Ａ及び６５Ｂに圧電効果が発生し、上部電極層６４Ａ及び６４Ｂから、検出信号Ｇａ及びＧｂが得られる。上部電極層６４Ａ及び６４Ｂは、中央アーム６２Ｃ側に偏って配置されているため、Ｘ軸方向の伸縮変位により検出信号Ｇａ及びＧｂの信号強度が異なり、コリオリ力を検出することが可能である。

これらの信号が制御部３０によって処理され、角速度センサ素子６０に印加されている角速度が算出される。

本実施の形態においては、検出用の上部電極層６４Ａ、６４Ｂが駆動用の上部電極層６４Ｃと異なる圧電層の上に形成されているので、電極間のリーク電圧の発生を防止でき、精度の高い角速度検出が可能となる。また、各々の検出用電極６４Ａ及び６４Ｂが相互に異なる圧電層上に形成されていることから、角速度の検出感度の更なる向上を図ることが可能となる。

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の変更を加え得る。

（比較例１）
図９に示す角速度センサ素子４０を作製し、サンプル２とした。
比較例１に係る角速度センサ素子４０は、上記実施形態に係る角速度センサ素子１０に対し、中央アームの圧電機能体の構成が異なる。
同図に示すように、角速度センサ素子４０は、支持部４１から一方向に延出された３本のアーム４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを有する。各アーム４２には、圧電機能体４３（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ）が形成されている。外側アーム４２Ａ及び４２Ｂの圧電機能体４３（４３Ａ、４３Ｂ）は、アーム４２側から順に積層された下部電極層４６（４６Ａ、４６Ｂ）、圧電層４５（４５Ａ、４５Ｂ）、駆動電極である上部電極層４４（４４Ａ、４４Ｂ）からなる。

中央アーム４２Ｃの圧電機能体４３Ｃは、アーム４２側から順に積層された下部電極層４６Ｃ、圧電層４５Ｃ、検出電極である二つの上部電極層４４Ｃ（４４Ｃ_１、４４Ｃ_２）からなる。
図示しない他の部分は、実施例１に係る角速度センサ素子１０と同一である。下部電極層４６Ｃと、圧電層４５Ｃは、それぞれ単一である点で、実施例１に係る角速度センサ素子１０と異なる。

（比較例２）
図１０に示す角速度センサ素子５０を作製し、サンプル３とした。
比較例２に係る角速度センサ素子５０は、実施例１に係る角速度センサ素子１０に対し、中央アームの圧電機能体の構成が異なる。
同図に示すように、角速度センサ素子５０は、支持部５１から一方向に延出された３本のアーム５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを有する。各アーム５２には、圧電機能体５３（５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ）が形成されている。外側アーム５２Ａ及び５２Ｂの圧電機能体５３（５３Ａ、５３Ｂ）は、アーム５２側から順に積層された下部電極層５６（５６Ａ、５６Ｂ）、圧電層５５（５５Ａ、５５Ｂ）、駆動電極である上部電極層５４（５４Ａ、５４Ｂ）からなる。

中央アーム５２Ｃの圧電機能体５３Ｃは、アーム５２側から順に積層された下部電極層５６Ｃ、圧電層５５Ｃ、上部電極層５４Ｃからなる。上部電極層５４Ｃは、検出電極である二つの上部電極層５４Ｃ_１、５４Ｃ_２と、５４Ｃ_１と５４Ｃ_２の間に配置された、駆動電極である上部電極層５４Ｃ_３である。
図示しない他の部分は、実施例１に係る角速度センサ素子１０と同一である。下部電極層５６Ｃと、圧電層５５Ｃは、それぞれ単一であり、また、中央アーム４２Ｃ上にも駆動電極が形成されている点で、実施例１に係る角速度センサ素子１０と異なる。

本発明の実施形態に係る角速度センサ素子１０を示す斜視図である。 角速度センサ素子１０の階層構造を示す斜視図である。 角速度センサ素子１０を示す平面図である。 アーム１２Ａ〜１２Ｃの、Ｘ−Ｚ平面の断面図である。 角速度センサ素子１０と制御回路との電気的接続を示す模式図である。 角速度センサ素子１０の、角速度検出の原理を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る角速度センサ素子６０を示す平面図である アーム６２Ａ〜６２Ｃの、Ｘ−Ｚ平面の断面図である。 比較例に係る角速度センサ素子４０を示す平面図である。 比較例に係る角速度センサ素子５０を示す平面図である。 リーク電圧差とＮｕｌｌ電位の関係をプロットしたグラフである。 各サンプルについて測定したリーク電圧をプロットしたグラフである。 Ｎｕｌｌ電圧とＰＳＲＲの関係をプロットしたグラフである。 各サンプルについて測定したＰＳＲＲをプロットしたグラフである。 各サンプルについて測定した感度変化率をプロットしたグラフである。

符号の説明

１０ 角速度センサ素子
１２ アーム
１３ 圧電機能体
１４ 下部電極層
１５ 圧電層
１６ 上部電極層
１７ 固定部
１８ 支持部
６０ 角速度センサ素子
６２ アーム
６３ 圧電機能体
６４ 下部電極層
６５ 圧電層
６６ 上部電極層
６７ 固定部
６８ 支持部

Claims (7)

1. 第１の位相で振動する振動子部と、前記第１の位相と逆の第２の位相で振動する振動子部とを含む３本の振動子部を有する本体と、
   前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、前記第１の位相で振動する振動子部の振動を検出するための第１の検出用圧電膜と、
   前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１の検出用圧電膜と分離された、前記第１の振動子部の振動を検出するための第２の検出用圧電膜と、
   前記第２の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１及び第２の検出用圧電膜と分離された、第２の振動子部を振動させるための駆動用圧電膜と
   を具備する角速度センサ素子。
2. 請求項１に記載の角速度センサ素子であって、
   前記３本の振動子部は、前記第２の位相で振動する第１及び第２の振動子部と、前記第１及び第２の振動子部の間に位置し、前記第１の位相で振動する第３の振動子部とからなる
   角速度センサ素子。
3. 請求項２に記載の角速度センサ素子であって、
   前記第１の検出用圧電膜を挟んで対向する第１の上部電極層と第１の下部電極層とを有する第１の電極と、
   前記第１の電極と分離して配置され、前記第２の検出用圧電膜を挟んで対向する第２の上部電極層と第２の下部電極層とを有する第２の電極と
   をさらに具備する角速度センサ素子。
4. 請求項１に記載の角速度センサ素子であって、
   前記本体は、
   第１の方向に幅方向、及び、前記第１の方向と直交する第２の方向に厚み方向を有し、実装基板に固定される固定部と、
   前記３本の振動子部を連結する連結部と、
   前記固定部と前記連結部との間に接続され、前記固定部の厚みより小さい厚みと前記固定部の幅より小さい幅を有する支持部とを有する
   角速度センサ素子。
5. 請求項１に記載の角速度センサ素子であって、
   前記３本の振動子部は、前記第１の位相で振動する第１及び第２の振動子部と、前記第１及び第２の振動子部の間に位置し、前記第２の位相で振動する第３の振動子部である
   角速度センサ素子。
6. 第１の位相で振動する振動子部と、前記第１の位相と逆の第２の位相で振動する振動子部とを含む３本の振動子部を有する本体と、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、前記第１の位相で振動する振動子部の振動を検出するための第１の検出用圧電膜と、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１の検出用圧電膜と分離された、前記第１の振動子部の振動を検出するための第２の検出用圧電膜と、前記第２の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１及び第２の検出用圧電膜と分離された、第２の振動子部を振動させるための駆動用圧電膜とを有する角速度センサ素子と、
   前記角速度センサ素子が実装される回路基板と
   を具備する角速度センサ。
7. 第１の位相で振動する振動子部と、前記第１の位相と逆の第２の位相で振動する振動子部とを含む３本の振動子部を有する本体と、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、前記第１の位相で振動する振動子部の振動を検出するための第１の検出用圧電膜と、前記第１の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１の検出用圧電膜と分離された、前記第１の振動子部の振動を検出するための第２の検出用圧電膜と、前記第２の位相で振動する振動子部上に形成され、かつ、前記第１及び第２の検出用圧電膜と分離された、第２の振動子部を振動させるための駆動用圧電膜とを有する角速度センサ素子と、
   前記角速度センサ素子が実装される回路基板と
   を具備する角速度センサを搭載した電子機器。

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