JP2010181179A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角速度が加えられていない状態で発生する駆動ノイズによる検出信号への影響を低減できる角速度検出装置を提供する。
【解決手段】同一方向に延伸し、幅及び厚さが同一である一対の梁型の振動アーム１１、１２と、振動アーム１１、１２と厚さが同一で且つ幅が異なり、一対の振動アーム１１、１２間に配置されて振動アーム１１、１２と同一方向に延伸する梁型の検出アーム２０と、検出アーム２０の厚さ方向の変形を検知して、幅方向に振動する振動アーム１１、１２に加えられた振動アーム１１、１２の延伸方向を回転軸とする回転の角速度を検出する検出回路６００とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度検出装置に係り、特にコリオリ力を利用して角速度を検出する角速度検出装置に関する。

角速度検出装置として、圧電材料若しくは非圧電材料と圧電材料の積層体を使用する音片型、音叉型等の様々な形状の振動式角速度検出装置が提案され実用化されている。特に、音叉型はＱ値が高く、安定した振動と高い感度が得られる。

例えば、アーム（振動子）を振動させるための駆動電圧が印加される駆動電極と、アームに加えられた角速度に応じた検出信号を出力する検出電極とが、同一のアーム上に形成された音叉型振動式角速度検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上記のような振動式角速度検出装置では、アームの振動方向が水平方向の場合に検出方向は垂直方向であり、アームに角速度が加えられない状態では、検出電極から出力される検出信号はゼロである。そして、アームが水平方向に振動している状態でアームに角速度が加えられると、アームに垂直方向の応力が加わり、アームが変形する。アームの変形により検出電極に電荷が発生し、発生した電荷に応じた検出信号に基づいて角速度が検出される。

特開２００２−１２２４３２号公報

しかしながら、アームに角速度が加えられていない状態においても、実際には僅かながら垂直方向にも角速度検出装置のアームが振動し、検出電極に電荷が発生する。このような、アームに角速度が加えられていない状態で発生する電荷は、アームに加えられた角速度を検出する検出信号のノイズになる。この角速度が加えられていない状態で発生するノイズ（以下において、「駆動ノイズ」という。）が大きいと角速度検出装置のＳ／Ｎ比が劣化し、感度が低下する。

上記問題点を鑑み、本発明は、角速度が加えられていない状態で発生する駆動ノイズによる検出信号への影響を低減できる角速度検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）同一方向に延伸し、幅及び厚さが同一である一対の梁型の振動アームと、（ロ）振動アームと厚さが同一で且つ幅が異なり、一対の振動アーム間に配置されて振動アームと同一方向に延伸する梁型の検出アームと、（ハ）検出アームの厚さ方向の変形を検知して、幅方向に振動する振動アームに加えられた振動アームの延伸方向を回転軸とする回転の角速度を検出する検出回路とを備える角速度検出装置が提供される。

本発明によれば、角速度が加えられていない状態で発生する駆動ノイズによる検出信号への影響を低減できる角速度検出装置を提供できる。

本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の構成を示す模式的な上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った断面図である。 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。 本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１は、図１に示すように、同一方向に延伸し、幅及び厚さが同一である一対の梁型の振動アーム１１、１２と、振動アーム１１、１２と厚さが同一で且つ幅が異なり、一対の振動アーム１１、１２間に配置されて振動アーム１１、１２と同一方向に延伸する梁型の検出アーム２０と、検出アーム２０の厚さ方向の変形を検知して、幅方向に振動する振動アーム１１、１２に加えられた振動アーム１１、１２の延伸方向を回転軸とする回転の角速度を検出する検出回路６００とを備える。

振動アーム１１、１２それぞれの一方の端部は固定端であり、この固定端は支持部３０に固定されている。振動アーム１１、１２の他方の端部は自由端である。検出アーム２０の一方の端部は、振動アーム１１、１２の固定端の間で支持部３０に固定された固定端であり、他方の端部は自由端である。つまり、振動アーム１１、１２と検出アーム２０は、片持ち梁構造の３脚音叉型の振動子１０を構成する。

振動アーム１１上に駆動電極１１０が配置され、振動アーム１２上に駆動電極１２０が配置されている。駆動電極１１０、１２０は、振動アーム１１、１２上で互いに対向して配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２をそれぞれ有する。また、検出アーム２０上に検出電極２００が配置されている。駆動電極１１０、駆動電極１２０、検出電極２００は、固定端に近い領域に配置されることが好ましい。

図１に示すように、振動アーム１１の検出アーム２０と対面する面側（以下において「内側」という）に第２印加電極１０２が配置され、内側に対向する面側（以下において「外側」という）に第１印加電極１０１が配置されている。また、振動アーム１２の検出アーム２０と対面する面側（内側）に第１印加電極１０１が配置され、内側に対向する面側（外側）に第２印加電極１０２が配置されている。

駆動電極１１０、１２０は、検出回路６００に含まれる駆動回路６１０に電気的に接続される。検出電極２００は、検出回路６００に含まれる検知回路６２０に電気的に接続される。

図２に、図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った検出アーム２０の断面構造を示す。また、図３に、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った振動アーム１１、１２及び検出アーム２０の断面構造を示す。図２〜図３に示すように、積層構造の検出電極２００が検出アーム２０上に配置されている。また、振動アーム１１、１２の主面上で側面に近い領域に、積層構造の第１印加電極１０１と第２印加電極１０２が対向して配置されている。第１印加電極１０１、第２印加電極１０２及び検出電極２００は、下部電極３０１、圧電体膜３０２、上部電極３０３が積層された同一構造の積層体である。

図３に示すように、振動アーム１１、１２の厚さと検出アーム２０の厚さはｄで同一である。一方、振動アーム１１、１２の幅ｗ１と検出アーム２０の幅ｗ２は異なる。図３に示した例では、ｗ１＜ｗ２である。例えば、厚さｄは１５０μｍであり、幅ｗ１は１００μｍ、幅ｗ２は１５０μｍである。また、振動アーム１１、１２と検出アーム２０との間隔は、１５０μｍ程度である。

支持部３０を含む基板の一部を選択的にエッチングすることによって、振動アーム１１、１２、検出アーム２０が形成される。この基板には、シリコン（Ｓｉ）基板等が採用可能である。下部電極３０１には、膜厚２００ｎｍ程度の白金（Ｐｔ）／チタン（Ｔｉ）の積層膜等が採用可能であり、上部電極３０３には、膜厚２００ｎｍ程度の酸化イリジウム（ＩｒＯ₂）／イリジウム（Ｉｒ）の積層膜や金（Ａｕ）膜等が採用可能である。下部電極３０１や上部電極３０３は、スパッタ法等により形成される。圧電体膜３０２には、膜厚１〜３μｍ程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜やランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜等が採用可能である。ＰＺＴ膜やＰＬＺＴ膜はゾルゲル法等により形成される。

図２〜図３に示すように、第１印加電極１０１、第２印加電極１０２、及び検出電極２００は、振動アーム１１、１２及び検出アーム２０上に形成された酸化シリコン膜４１上に配置され、周囲を保護膜４５で覆われている。酸化シリコン膜４１は、例えばシリコン基板の表面を熱酸化して形成される。保護膜４５は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）膜と酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の積層膜である。

振動アーム１１、１２は、振動子１０の外部から振動アーム１１、１２に入力される駆動信号により、振動アーム１１、１２の幅方向（以下において「駆動振動方向」という。）に振動する。駆動振動方向は、図１において紙面に平行で、かつ振動アーム１１、１２の延伸する長軸方向に対して垂直な方向である。図１において、駆動振動方向をｘ軸方向、振動アーム１１、１２の長軸方向をｙ軸方向とする。つまり、駆動振動方向を含む駆動振動面はｘ−ｙ平面である。また、駆動振動面の法線方向をｚ軸方向とする。振動アーム１１、１２の駆動振動方向の振動を、以下において「駆動振動」という。

第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に駆動信号として駆動電圧が印加されると、逆圧電効果により第１印加電極１０１と第２印加電極１０２の圧電体膜３０２の形状が変形する。例えば、圧電体膜３０２はプラス電圧が印加されると縮み、マイナス電圧が印加されると伸びる。このため、振動アーム１１、１２の側面近くに配置された第１印加電極１０１と第２印加電極１０２に極性の異なる電圧を印加することにより、振動アーム１１、１２はｘ軸方向に屈曲する。

一方、検出アーム２０に形状の変化が生じると、検出電極２００の圧電体膜３０２の形状が変形し、圧電効果により検出電極２００から電気信号が検出信号として出力される。検出信号は、圧電効果により検出電極２００の圧電体膜３０２に生じる分極を検出することにより検出電極２００が出力する電流信号若しくは電圧信号である。

以下に、角速度検出装置１の動作を説明する。

図１に示した検出回路６００の駆動回路６１０から、駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄが振動アーム１１の駆動電極１１０と振動アーム１２の駆動電極１２０に出力される。駆動振動周波数ｆｄは、振動子１０の共振周波数に設定される。第１印加電極１０１と第２印加電極１０２間に駆動電圧Ｖｄが印加されると、既に述べたように、第１印加電極１０１及び第２印加電極１０２の圧電体膜３０２が変形し、振動アーム１１、１２は屈曲する。つまり、検出回路６００から印加される駆動振動周波数ｆｄの駆動電圧Ｖｄに応じて、振動アーム１１、１２がｘ軸方向に駆動振動する。

検出回路６００により、振動アーム１１、１２のそれぞれの第１印加電極１０１に同一極性の電圧が印加され、且つ第２印加電極１０２に第１印加電極１０１に印加される電圧と逆の極性の電圧が印加される。このため、振動アーム１１と振動アーム１２は駆動振動方向に沿って同一方向に屈曲する。つまり、振動アーム１１、１２は、同一時刻におけるそれぞれの駆動振動方向が同一であり、且つ駆動振動周波数ｆｄで振動する。

振動アーム１１、１２がｘ軸方向に駆動振動している状態で、振動アーム１１、１２の延伸する方向（ｙ軸方向）を回転軸方向として振動子１０が角速度ωで回転すると、振動アーム１１、１２はコリオリ力をｚ軸方向に受ける。このとき、コリオリ力により振動アーム１１、１２が−ｚ方向に屈曲されると、検出アーム２０は、＋ｚ軸方向に屈曲する。一方、振動アーム１１、１２がコリオリ力により＋ｚ方向に屈曲されると、検出アーム２０は、−ｚ方向に屈曲する。上記のように、振動アーム１１、１２の駆動振動方向の屈曲に応じて、検出アーム２０はｚ軸方向に振動する。この検出アーム２０のｚ軸方向の振動を、以下において「検出振動」という。

検出振動に起因して、検出アーム２０に形状の歪みが発生する。このため、検出電極２００の圧電体膜３０２の形状が変化し、圧電体膜３０２で分極が生じる。その結果、検出電極２００に電荷が発生する。検出電極２００は、電荷の発生を電流若しくは電圧として検知し、検出した電流（検出電流）又は検出した電圧（検出電圧）を検出信号Ｓｔとして検出回路６００に出力する。検出信号Ｓｔは、検出振動の周波数に従って振動する。

検出回路６００は、検出電極２００が出力する検出信号Ｓｔに基づき、振動子１０に加わった角速度ωを検出する。具体的には、検出電極２００に接続する検知回路６２０が、検出電極２００で発生した電荷による検出電流又は検出電圧を検出信号Ｓｔとして検知し、検出信号Ｓｔを検波回路６３０に送信する。

検波回路６３０は、検知回路６２０から送信される検出信号Ｓｔを、駆動回路６１０から送信される駆動振動周波数ｆｄで同期検波することにより、角速度ωを算出する。

なお、検出回路６００を振動子１０が形成された基板と異なる基板上に形成してもよいし、検出回路６００と振動子１０を同一の基板上に形成してもよい。振動子１０と検出回路６００を１チップ化することにより、角速度検出装置１を小型化することができる。

振動アーム１１、１２が駆動振動のみしている状態では、検出アーム２０に厚さ方向（ｚ軸方向）の形状の変化は発生しない。このため、検出電極２００は検出信号Ｓｔを出力しない。特に、図１に示した角速度検出装置１では、振動アーム１１、１２と検出アーム２０とはｘ軸方向の長さである幅が異なる。このため、検出アーム２０の両側に配置された振動アーム１１、１２が共振現象により駆動振動方向（ｘ軸方向）に大きく振動した場合でも、検出アーム２０の振動はごく僅かである。したがって、振動子１０に角速度が加えられていない状態で発生する駆動ノイズを小さくできる。このため、Ｓ／Ｎ比の劣化が抑制される。

一方、ｚ軸方向の長さである厚さｄは振動アーム１１、１２と検出アーム２０で同一である。このため、コリオリ力によるｚ軸方向の検出振動の共振モードで検出アーム２０はｚ軸方向に大きく変位し、検出感度が向上する。

上記の効果を得るためには、振動アーム１１、１２の幅ｗ１に対する検出アーム２０の幅ｗ２の比が、１．５以上であることが効果的である。振動アーム１１、１２の幅ｗ１を１００μｍ、検出アーム２０の幅ｗ２を１５０μｍとした駆動振動のコンピュータシミュレーションによれば、振動アーム１１、１２の駆動振動方向の振幅を１としたときの検出アーム２０の駆動振動方向の振幅は０．０７である。一方、振動アーム１１、１２の幅ｗ１を１５０μｍ、検出アーム２０の幅ｗ２を１５０μｍとした駆動振動のコンピュータシミュレーションによれば、振動アーム１１、１２の駆動振動方向の振幅を１としたときの検出アーム２０の駆動振動方向の振幅は０．５６である。上記のように、振動アーム１１、１２の幅ｗ１に対する検出アーム２０の幅ｗ２の比を１．５以上にすると、駆動振動における検出アーム２０の振幅は振動アーム１１、１２の振幅の７％以下に抑えられ、駆動ノイズを大きく抑制できる。

振動アーム１１、１２の幅ｗ１と検出アーム２０の幅ｗ２が異なれば、駆動ノイズによる検出信号Ｓｔへの影響を低減できる。図１には、振動アーム１１、１２の幅ｗ１が検出アーム２０の幅ｗ２より小さい角速度検出装置１を示したが、振動アーム１１、１２の幅ｗ１が検出アーム２０の幅ｗ２より大きくてもよい。ただし、検出アーム２０の幅ｗ２を振動アーム１１、１２の幅ｗ１より大きくすることにより、検出電極２００の面積を大きくして感度を上げることができる。

以上に説明したように、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１では、駆動振動する振動アーム１１、１２と角速度を検出する検出アーム２０とが異なり、且つ、振動アーム１１、１２と検出アーム２０の駆動振動方向の幅が異なる。このため、Ｓ／Ｎ比の劣化、及び角速度検出感度の低下が抑制される。したがって、図１に示した角速度検出装置１によれば、駆動ノイズによる検出信号への影響を低減できる角速度検出装置を提供できる。

本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１は、例えばカメラやビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角速度センサ、モーションセンサ等に採用可能である。

図４（ａ）、図４（ｂ）〜図８（ａ）、図８（ｂ）を参照して、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１の製造方法を説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）〜図８（ａ）、図８（ｂ）において、図（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った工程断面図であり、図（ｂ）は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った工程断面図である。なお、以下に述べる角速度検出装置１の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

（イ）図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、厚さ７００μｍ程度のシリコン基板４０の表面上に酸化シリコン膜４１を形成し、裏面上に酸化シリコン膜４２を形成する。酸化シリコン膜４１及び酸化シリコン膜４２は熱酸化により形成される。次いで、シリコン基板４０の表面上の酸化シリコン膜４１上に、下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３を順に積層する。例えば、スパッタ法により、下部電極層３１１として膜厚２００ｎｍ程度のＰｔ／Ｔｉ積層膜を形成し、ＩｒＯ₂膜を下層とするＩｒＯ₂／Ｉｒの積層膜を上部電極層３１３として形成する。また、圧電体膜層３１２として例えばＰＬＺＴ膜をゾルゲル法等により形成する。下部電極層３１１がＴｉ膜を下層とするＰｔ／Ｔｉ積層膜である場合は、Ｔｉ膜とシリコン基板との密着性が良くない。このため、シリコン基板４０上に酸化シリコン膜４１を形成して、シリコン基板４０と下部電極層３１１との密着性を向上させている。

（ロ）フォトリソグラフィ技術やエッチング等により、所望のパターンになるように下部電極層３１１、圧電体膜層３１２及び上部電極層３１３をパターニングして、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、下部電極３０１、圧電体膜３０２及び上部電極３０３がそれぞれ積層された駆動電極１１０、１２０及び検出電極２００を形成する。その後、全面に保護膜４５としてアルミナ膜と酸化シリコン膜の積層膜を形成する。フォトリソグラフィ技術等を用いて、振動アーム１１、１２、検出アーム２０及び支持部３０を形成する領域上以外の、保護膜４５及び酸化シリコン膜４１を除去し、図６（ａ）及び図６（ｂ）の断面構造を得る。

（ハ）シリコン基板４０の裏面上に形成された酸化シリコン膜４２の一部をエッチングして、支持部３０を形成する領域以外のシリコン基板４０の裏面を露出させる。残った酸化シリコン膜４２をエッチングマスクにしたウェットエッチングによりシリコン基板４０の裏面の一部を除去し、振動アーム１１、１２と検出アーム２０の裏面を露出させる。その後、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、シリコン基板４０の裏面にエッチングストッパーとして酸化シリコン膜６０をプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）法等により形成する。

（ニ）図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、保護膜４５をエッチングマスクとし、酸化シリコン膜６０をエッチングストッパーとするドライエッチングによってシリコン基板４０の表面の一部を除去し、振動アーム１１、１２と検出アーム２０の側面を露出させる。その後、酸化シリコン膜６０を除去する。以上により、図１に示す角速度検出装置１が完成する。

上記のような本発明の実施の形態に係る角速度検出装置１の製造方法によれば、駆動振動する振動アーム１１、１２と、検出振動する検出アーム２０が異なり、且つ、振動アーム１１、１２と検出アーム２０の駆動振動方向の幅が異なる角速度検出装置１を製造できる。このため、駆動ノイズによる検出信号への影響を低減され、Ｓ／Ｎ比の劣化、及び角速度検出感度の低下が抑制された角速度検出装置１を提供できる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、振動子１０が片持ち梁構造の振動子である例を示したが、振動子１０が振動アーム１１、１２及び検出アーム２０が中央で支持される両持ち梁構造の振動子であってもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の角速度検出装置は、角速度センサや、スチールカメラ、ビデオカメラの手ぶれ補正用角速度センサ、カーナビゲーション用角度センサ、モーションセンサに利用可能である。

１…角速度検出装置
１０…振動子
１１、１２…振動アーム
２０…検出アーム
３０…支持部
４０…シリコン基板
４１、４２…酸化シリコン膜
４５…保護膜
６０…酸化シリコン膜
１０１…第１印加電極
１０２…第２印加電極
１１０、１２０…駆動電極
２００…検出電極
３０１…下部電極
３０２…圧電体膜
３０３…上部電極
６００…検出回路
６１０…駆動回路
６２０…検知回路
６３０…検波回路

Claims (5)

1. 同一方向に延伸し、幅及び厚さが同一である一対の梁型の振動アームと、
   前記振動アームと厚さが同一で且つ幅が異なり、前記一対の振動アーム間に配置されて前記振動アームと同一方向に延伸する梁型の検出アームと、
   前記検出アームの厚さ方向の変形を検知して、幅方向に振動する前記振動アームに加えられた前記振動アームの延伸方向を回転軸とする回転の角速度を検出する検出回路と
   を備えることを特徴とする角速度検出装置。
2. 前記検出アームの幅が、前記振動アームの幅より広いことを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。
3. 前記振動アームが、前記振動アームを幅方向に振動させる電気信号が印加される駆動電極を有し、
   前記検出アームが、前記検出アームの厚さ方向の変形により生じる電気信号を前記検出回路に出力する検出電極を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の角速度検出装置。
4. 前記振動アーム及び前記検出アームが、圧電体膜を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の角速度検出装置。
5. 前記圧電体膜がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜又はランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜であることを特徴とする請求項４に記載の角速度検出装置。

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