共振素子

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【発明の名称】	共振素子
【発明者】	【氏名】川合浩史【氏名】大和田邦樹
【要約】	【課題】振動させる平面振動体の振動方向と検出方向の共振周波数の差が小さく、検出方向の平面振動体のぶれも小さい共振素子を提供する。【解決手段】Ｘ，Ｚ二次元平面方向を基板面方向とした基板１に浮いた状態で重り部２からなる平面振動体１０を配置し、基板１に支持梁３を介して平面振動体１０をＸ方向の振動が可能に支持し、励振器４により平面振動体１０をＸ方向に振動させる。平面振動体１０の振動方向の共振周波数を検出方向の共振周波数より少し低めに設計する。Ｘ，Ｚ二次元平面方向に直交するＹ方向に平面振動体１０の面と間隔を介した基板１の面には、Ｘ方向に間隔を介した平面振動体１０の両端縁部領域に、平面振動体１０に静電引力２１，２２を付与して平面振動体１０の検出方向の共振周波数を調整し、かつ、基板１の基板面方向に対する平面振動体１０の傾きを補正するための導電層２３，２４を設ける。

【特許請求の範囲】
【請求項１】Ｘ，Ｚ二次元平面方向を基板面方向とした固定基板に浮いた状態で重り部が配置され、該重り部を備えた平面振動体が前記固定基板に支持梁を介してＸ方向の振動が可能に支持されており、前記平面振動体をＸ方向に振動する励振器が設けられており、前記Ｘ，Ｚ二次元平面方向に直交するＹ方向に前記平面振動体の面と間隔を介した対向面側には前記Ｘ方向に間隔を介した少なくとも平面振動体の両端縁部領域に、該平面振動体に静電引力を付与して平面振動体の共振周波数を調整し、前記固定基板の基板面方向に対する平面振動体の傾きを補正する振動体傾き補正手段が設けられていることを特徴とする共振素子。
【請求項２】平面振動体は固定基板に浮いた状態で配置された枠体と、該枠体の内側に連結梁を介して連結された重り部を有しており、前記平面振動体の面とＹ方向に間隔を介した対向面側にはＸ方向に間隔を介した少なくとも重り部の両端縁部領域に第１の振動体傾き補正手段が設けられているとともに、前記枠体に対向し、かつ、前記第１の振動体傾き補正手段をＸ方向に間隔を介して挟む位置に第２の振動体傾き補正手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の共振素子。
【請求項３】振動体傾き補正手段による平面振動体への静電引力付与に起因した支持梁の引っ張り応力を打ち消す方向の力を支持梁に直接的に又は間接的に加える応力キャンセル手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の共振素子。
【請求項４】応力キャンセル手段は、平面振動子の面を介して振動体傾き補正手段と対向し、振動体傾き補正手段とにより平面振動体を間隔を介して挟み込む形態で設けられ、平面振動体に静電引力を付与して、振動体傾き補正手段による平面振動体への静電引力付与に起因した支持梁の引っ張り応力を打ち消す構成と成していることを特徴とした請求項３記載の共振素子。
【請求項５】重り部の表面と裏面の少なくとも一方には垂直移動側電極が設けられるとともに該垂直移動側電極とＹ方向に間隔を介した対向側には固定対向電極が設けられ、前記垂直移動側電極と固定対向電極の組はＺ軸回りの回転の角速度変化に対応する重り部のＹ方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角速度検出電極として構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の共振素子。
【請求項６】重り部はシリコン又はポリシリコンにより形成されて該重り部自体が垂直移動側電極と成しており、この重り部とＹ方向に間隔を介した対向側には固定対向電極が設けられ、前記重り部と固定対向電極の組はＺ軸回りの回転の角速度変化に対応する重り部のＹ方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角速度検出電極として構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の共振素子。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、角速度センサやフィルタ等に用いられる共振素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図７には、本出願人が以前に提案した共振素子の斜視図が示されている。この共振素子１６は、従来のシリコンのマイクロマシニング技術等を利用して作製した微細素子の共振素子１６であり、シリコンの基板１の上に、チッ化膜７を形成し、その上にポリシリコン膜５を形成し、これらの膜７，５をドライエッチング等により予め定めた設定パターンとしたものである。
【０００３】基板１は、Ｘ，Ｚ二次元平面方向を基板面方向とした固定基板として機能するものであり、基板１上には、基板１から浮いた状態で重り部２が配置され、同図に示す共振素子１６においては、重り部２が平面振動体１０として機能する。平面振動体１０は支持梁３を介してＸ方向の振動が可能に支持されており、各支持梁３の一端側は、固定部３５を介して基板１に固定されている。
【０００４】平面振動体１０の両側には、横方向（Ｘ方向）の外側に向かって櫛形電極６Ｂが形成されており、櫛形電極６Ｂと対向する位置には、横方向の内側に向かって櫛形電極６Ａが櫛形電極６Ｂに噛み合う状態で配置されている。これら櫛形電極６Ａ，６Ｂには、駆動用導体層１１Ａ，１１Ｂが接続されており、図示しない導体パターンを介して外部の電極パッド（図示せず）に接続されて励振器４を形成している。
【０００５】この励振器４の駆動用導体層１１Ａ，１１Ｂに交流電圧を印加すると、櫛形電極６Ａ，６Ｂ間に静電力が発生し、この静電力により平面振動体１０は、矢印Ｆの方向（Ｘ方向）に振動するようになっている。
【０００６】上記構成の共振素子１６の櫛形電極６Ａ，６Ｂを駆動し、平面振動体１０をＸ方向に振動させて、共振素子１６をＺ軸を回転軸として回転させると、前記Ｘ，Ｚ二次元平面方向に直交するＹ方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力が重り部２から成る平面振動体１０に加えられ、平面振動体１０はコリオリ力の方向に振動する。このときの平面振動体１０のコリオリ力による振動振幅の大きさに対応する電気信号を測定することで、例えば、回転の角速度の大きさを検知することができる。
【０００７】なお、共振素子１６を角速度センサ等として適用する場合は、前記コリオリ力による平面振動体１０の振動振幅の大きさに対応する電気信号を測定するための検出部が設けられる。
【０００８】ところで、共振素子１６を作製する場合、平面振動体１０のコリオリ力の方向（Ｙ方向）の共振周波数を、予め設計段階でＸ方向の共振周波数に設定して、平面振動体１０の形状、寸法、重量等をその共振周波数になるように設計製作する。しかし、平面振動体１０の形状、寸法、重量等は、シリコンのマイクロマシニング技術の加工精度により設計通りに作製されない場合が度々あり、平面振動体１０の共振周波数が設計上の周波数からずれることが度々発生する。平面振動体１０の振動が共振状態ならば、構造的に起因するＱ（Quality Factor）の値により振幅が飛躍的に増幅されるが、周波数がずれると増幅が殆どされず、共振素子の感度を著しく低下するという問題がある。そのため、重り部２や支持梁３を、例えば、面倒な機械加工等によるトリミングを行い、平面振動体１０の共振周波数を設計の設定周波数に調整する必要がある。
【０００９】しかしながら、前記共振素子１６は、シリコンのマイクロマシニング技術を応用して作製した微細な共振素子１６のため、機械加工を利用して所望の共振周波数を得るために必要な微小のトリミング調整部分をトリミングしようとしても、面倒な機械加工では加工精度上から微細な重り部２や支持梁３を所望の寸法、形状、重量等に削り加工することは殆ど不可能である。したがって、平面振動体１０の共振周波数を設定の値に調整することは極めて困難であった。
【００１０】そこで、上記提案の共振素子１６においては、図７の（ｂ）に示すように、基板１上の、重り部２とＹ方向に間隔を介して対向する位置に、静電引力１５を付与する導電層１２を設けている。この導電層１２は、図７の（ａ）に示すように、導電パターン１３を介して導電パッド１４に接続されており、これら導電パターン１３と導電パッド１４を介して導電層１２に印加する電圧を制御することにより、共振素子１６の共振周波数を設定値に調整できるようにした。
【００１１】導電層１２に直流電圧を印加すると、平面振動体１０に静電力が作用し、これが静電的なバネとして平面振動体１０に作用する。すなわち、平面振動体１０が基板１に近づく方向に振動するときに振幅を増大させる方向に静電力が作用するため、機械的なバネと反対方向の力を発生させる効果があり、結果的に平面振動体１０のＹ方向の共振周波数を低下させる。この共振周波数の低下量は、印加する静電引力１５に応じて変化するため、導電層１２に印加する直流電圧の大きさを調整することで、平面振動体１０の固有の共振周波数から低周波数側に共振周波数を微調整できる。
【００１２】この効果を利用すると、平面振動体１０の固有のＹ方向の共振周波数を最も高感度な共振周波数（Ｘ方向の共振周波数）よりも僅かに高く設計しておけば（言い換えれば励振器４による平面振動体１０の振動方向の共振周波数よりも検出方向の共振周波数を高めに設計しておけば）、導電層１２に印加する直流電圧の調整により、共振素子１６の感度を高感度に調整することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のような共振素子１６においては、その共振周波数を設定値にすることが大切であると共に、平面振動体１０の振動状態を的確にすることが非常に重要である。図６には、共振素子１６において、平面振動体１０をＸ方向に振動させたときに、Ｚ軸周りの角速度がないときの平面振動体１０のＸ－Ｙ平面内での動きの一例が示されており、図７に示したような共振素子１６においては、例えば図６の（ａ）に示すように、平面振動体１０の振動状態がコリオリ力の検出方向であるＹ方向にぶれている（基板１の基板面方向に対する平面振動体１０の傾きが大きい）と、コリオリ力を正確に検出することができず、角速度センサ等のジャイロ特性が悪くなる。
【００１４】したがって、平面振動体１０の振動状態は、図６の（ｂ）に示すように、Ｙ方向にぶれが殆どないことが望ましい。
【００１５】また、一般に、平面振動体１０の振動方向と検出方向の共振周波数の差（Δｆ）が小さくなるほど、両方向間のメカニカルカップリング（両振動モード間の機械的エネルギーの伝搬および相互作用）が大きくなり、共振素子１６を駆動させたときの検出方向へのぶれは大きくなりやすい。特に、素子作製時の寸法誤差や、残留応力などがこのメカニカルカップリングを増大させる。
【００１６】したがって、共振素子１６において、その感度を高くするために、平面振動体１０の振動方向と検出方向の共振周波数の差（Δｆ）を小さくしても、その一方で、検出方向のぶれ量が大きくなると、コリオリ力を正確に検出できなくなることとなる。このため、提案の共振素子１６のように、導電層１２を設けて前記共振周波数の差（Δｆ）を小さくするだけでは、感度が高く、かつ、正確な共振素子１６を得ることはできなかった。そのため、従来において、前記共振周波数の差（Δｆ）が小さく、かつ、検出方向のぶれも小さい共振素子１６を得ることは困難であり、両者の特性を満足できる共振素子１６の歩留まりは極めて低かった。
【００１７】なお、寸法ばらつき等のある従来の共振素子１６において、前記平面振動体１０の検出方向のぶれ量を小さくするように、機械的なトリミングを行なうことは、原理的には可能であるかもしれないが、平面振動体１０のぶれ量を評価しながらの機械的なトリミング作業は現実的ではない。
【００１８】また、トリミング後に、平面振動体１０のぶれ量を確認し、その後、またトリミングを行ない、さらにトリミング後の平面振動体１０のぶれ量確認を行なうといった作業を繰り返し行なって、前記ぶれ量をゼロに近づけることは、極めて時間のかかる非現実的な作業である。このため、このような作業を行なわずに、平面振動体１０の振動方向と検出方向の共振周波数の差（Δｆ）が小さく、かつ、検出方向のぶれも小さい共振素子１６の開発が望まれていた。
【００１９】本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、面倒なトリミング加工を行う必要がなく、コリオリ力により振動する平面振動体の振動方向と検出方向の共振周波数の差（Δｆ）が小さく、かつ、検出方向の平面振動体のぶれも小さい共振素子を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成するために、次のように構成されている。すなわち、第１の発明は、Ｘ，Ｚ二次元平面方向を基板面方向とした固定基板に浮いた状態で重り部が配置され、該重り部を備えた平面振動体が前記固定基板に支持梁を介してＸ方向の振動が可能に支持されており、前記平面振動体をＸ方向に振動する励振器が設けられており、前記Ｘ，Ｚ二次元平面方向に直交するＹ方向に前記平面振動体の面と間隔を介した対向面側には前記Ｘ方向に間隔を介した少なくとも平面振動体の両端縁部領域に、該平面振動体に静電引力を付与して平面振動体の共振周波数を調整し、前記固定基板の基板面方向に対する平面振動体の傾きを補正する振動体傾き補正手段が設けられている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２１】また、第２の発明は、上記第１の発明の構成を備え、前記平面振動体は固定基板に浮いた状態で配置された枠体と、該枠体の内側に連結梁を介して連結された重り部を有しており、前記平面振動体の面とＹ方向に間隔を介した対向面側にはＸ方向に間隔を介した少なくとも重り部の両端縁部領域に第１の振動体傾き補正手段が設けられているとともに、前記枠体に対向し、かつ、前記第１の振動体傾き補正手段をＸ方向に間隔を介して挟む位置に第２の振動体傾き補正手段が設けられていることを特徴として構成されている。
【００２２】さらに、第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加え、振動体傾き補正手段による平面振動体への静電引力付与に起因した支持梁の引っ張り応力を打ち消す方向の力を支持梁に直接的に又は間接的に加える応力キャンセル手段が設けられていることを特徴として構成されている。
【００２３】さらに、第４の発明は、上記第３の発明を構成する応力キャンセル手段は、平面振動子の面を介して振動体傾き補正手段と対向し、振動体傾き補正手段とにより平面振動体を間隔を介して挟み込む形態で設けられ、平面振動体に静電引力を付与して、振動体傾き補正手段による平面振動体への静電引力付与に起因した支持梁の引っ張り応力を打ち消す構成と成していることを特徴として構成されている。
【００２４】さらに、第５の発明は、上記第１～第４の発明の何れか１つの発明の構成を備え、前記重り部の表面と裏面の少なくとも一方には垂直移動側電極が設けられるとともに該垂直移動側電極とＹ方向に間隔を介した対向側には固定対向電極が設けられ、前記垂直移動側電極と固定対向電極の組はＺ軸回りの回転の角速度変化に対応する重り部のＹ方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角速度検出電極として形成されていることを特徴として構成されている。
【００２５】さらにまた、第６の発明は、上記第１～第４の発明の何れか１つの発明の構成を備え、重り部はシリコン又はポリシリコンにより形成されて該重り部自体が垂直移動側電極と成しており、この重り部とＹ方向に間隔を介した対向側には固定対向電極が設けられ、前記重り部と固定対向電極の組はＺ軸回りの回転の角速度変化に対応する重り部のＹ方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角速度検出電極として形成されていることを特徴として構成されている。
【００２６】なお、本明細書において、両端縁部領域とは、平面振動体や重り部の両端縁部より多少内側の領域や多少外側の領域を含む広い概念で用いている。
【００２７】上記構成の発明において、重り部を備えた平面振動体は固定基板に支持梁を介してＸ方向の振動が可能に支持されており、振動体傾き補正手段は、その平面振動体に静電引力を付与して平面振動体の共振周波数を調整し、固定基板の基板面方向に対する平面振動体の傾きを補正する。このように、振動体傾き補正手段によって、平面振動体の共振周波数の調整と、固定基板の基板面方向に対する平面振動体の傾きの補正とを共に行なうことができる。
【００２８】したがって、面倒なトリミング加工を行わなくても、コリオリ力により振動する平面振動体の振動方向と検出方向の共振周波数の差を小さくすることができ、かつ、平面振動体の検出方向のぶれも小さくすることが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例を図面に基づいて説明する。なお、以下に述べる実施形態例の説明において、前記提案例と同一の名称部分には同一符号を付し、その詳細な重複説明は省略する。
【００３０】図１には、本発明に係る共振素子の第１実施形態例が示されている。第１実施形態例の共振素子１６は、前記提案例と同様に、シリコンのマイクロマシニング技術等を利用して作製した微細な素子であり、角速度センサ等に適用される。
【００３１】第１実施形態例の共振素子１６は、図７に示した提案例と同様に、ドライエッチング等により形成した平面振動体１０と、櫛形電極６Ａ，６Ｂの静電力を利用した励振器４とを備えている。
【００３２】ところで、前記したような平面振動体１０の検出方向への振動のぶれは、平面振動体１０が固定基板１の基板面方向に対して傾いていることが主な原因ではないかということが分かった。そこで、この第１実施形態例では、平面振動体１０の共振周波数を調整すると共に、基板１の基板面方向に対する平面振動体１０の傾きを補正する特有な振動体傾き補正手段を設けた。
【００３３】すなわち、この第１実施形態例では、図１の（ｂ）に示すように、平面振動体１０の面とＹ方向に間隔を介した対向面である基板１の面に、２つの導電層２３，２４をＸ方向に間隔を介した平面振動体１０の両端縁部領域に設け、これらの導電層２３，２４を、平面振動体１０に静電引力２１，２２を付与して平面振動体１０の共振周波数を調整すると共に、基板１の基板面方向に対する平面振動体１０の傾きを補正する振動体傾き補正手段とした。
【００３４】なお、図１の（ａ）に示すように、導電層２３は導電パターン２５を介して導電パッド２７に接続され、導電層２４は導電パターン２６を介して導電パッド２８に接続されている。
【００３５】また、第１実施形態例では、平面振動体１０の検出方向の共振周波数（例えばｆｙ＝５．５Ｈｚ）を励振器４による平面振動体１０の振動方向の共振周波数（例えばｆｘ＝５ｋＨｚ）よりも多少（例えば５００Ｈｚ）高めに設計してある。
【００３６】図２には、第１実施形態例の共振素子の作製プロセスが示されている。まず、図２の（ａ）に示すように、シリコンの基板１上の外周側に窒化膜７を形成し、基板１上の中央部には、リンＰやボロンＢをドープした振動体傾き補正手段としての導電層２３，２４をＸ方向に間隔を介して形成する。なお、導電層２３，２４の形成位置は、後の工程で基板１上に浮かした状態で形成される重り部２（平面振動体１０）の両端縁部領域とする。
【００３７】然る後に、導電層２３，２４上に、図１の（ｂ）に示すように、酸化膜等の犠牲層８を外周側の窒化膜７に跨った状態で形成する。
【００３８】次いで、図１の（ｃ）に示すように、窒化膜７および犠牲層８上にポリシリコン膜５を形成し、重り部２や櫛形電極６Ａ，６Ｂ等のパターンを形成する。そして、図１の（ｄ）に示すように、例えば、ドライエッチング等により犠牲層８を除去して、間隙９を介して重り部２を基板１に浮いた状態で形成して平面振動体１０とし、この平面振動体１０の両端縁部領域に導電層２３，２４を対向配置した状態とし、共振素子１６を作製する。
【００３９】第１実施形態例の共振素子１６は以上のようにして作製されて、図１に示したように構成されている。前記提案例で述べたように、この共振素子１６の励振器４を駆動することにより、平面振動体１０を支持梁３の長さに直交するＸ方向に振動させることができ、この状態で、Ｚ軸を回転軸として回転すると、Ｙ方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ力が平面振動体１０に加えられ、平面振動体１０はコリオリ力の方向（Ｙ方向）に振幅する。この振幅の大きさを測定することで、角速度を検出することができる。
【００４０】また、第１実施形態例では、平面振動体１０の傾き補正を行なう手段として、導電層２３，２４を設けたので、平面振動体１０の振動時に、導電パッド２７，２８を介して導電層２３，２４にそれぞれ個別に直流電圧を印加して、図１の（ｂ）に示すように、導電層２３，２４に対向している平面振動体１０の両端縁部領域を静電引力２１，２２によって基板１側に引っ張って平面振動体１０の傾き補正を行なうことが可能である。このように、平面振動体１０の傾き補正を行うことにより、平面振動体１０の検出方向への振動のぶれを補正することができる。
【００４１】具体的には、平面振動体１０の振動時に、例えば、図１の（ｂ）の破線Ａに示すように、平面振動体１０が右下がりに傾くときには、導電層２４に印加する直流電圧よりも大きな直流電圧を導電層２３に印加し、導電層２３に対向している平面振動体１０の端縁部領域側を、導電層２４に対向している平面振動体１０の端縁部領域よりも強く基板１側に引っ張ることにより、前記傾きを補正する。
【００４２】また、上記とは逆に、図１の（ｂ）の破線Ｂに示すように、平面振動体１０が左下がりに傾くときには、導電層２３に印加する直流電圧よりも大きな直流電圧を導電層２４に印加する。そして、導電層２４に対向している平面振動体１０の端縁部領域側を、導電層２３に対向している平面振動体１０の端縁部領域よりも強く基板１側に引っ張ることにより、前記傾きを補正する。
【００４３】また、導電層２３，２４は、平面振動体１０の傾き補正を行なう手段として機能すると同時に、平面振動体１０の共振周波数の調整を行なう手段としても機能する。つまり、導電層２３，２４への直流電圧印加に起因する静電引力２１，２２によって、平面振動体１０を基板１側に引っ張ることにより、平面振動体１０の検出方向の共振周波数を低くすることができる。このことから、平面振動体１０の検出方向の共振周波数を振動方向の周波数よりも少し高めに設計しておき、上記静電引力２１，２２によって、平面振動体１０を基板１側に引っ張って平面振動体１０の検出方向の共振周波数を低くして、平面振動体１０の駆動方向と検出方向の共振周波数差（Δｆ）を小さく調整する。
【００４４】すなわち、第１実施形態例では、導電層２３，２４に印加する直流電圧を調節することにより、前記平面振動体１０の傾き補正と同時に、平面振動体１０の検出方向の共振周波数を適宜の値だけ低くし、それにより、平面振動体１０の駆動方向と検出方向の共振周波数差（Δｆ）を小さく調整することができる。
【００４５】例えば、共振素子１６において、導電層２３，２４に直流電圧を印加していない場合、または、同じ大きさの直流電圧を導電層２３，２４にそれぞれ印加した場合に、平面振動体１０の駆動方向（Ｘ方向）の変位量に対して検出方向（Ｙ方向）の変位（ぶれ量）が５％以上あったとする。このときには、まず、例えば導電層２３に印加する電圧を０とし、導電層２４に印加する直流電圧を０～２０Ｖの間で変化させる（あるいは、その逆に、導電層２４に印加する電圧を０とし、導電層２３に印加する直流電圧を０～２０Ｖの間で変化させる）。これにより、平面振動体１０の傾きが補正されて平面振動体１０の駆動方向の変位量に対する検出方向の変位を２％以下とする印加電圧値を求める。
【００４６】仮に、導電層２３に印加する電圧を０とし、導電層２４に印加する直流電圧を１０Ｖとしたときに、前記変位（ぶれ量）を２％以下にできたとすると、次に、導電層２３には（０＋α）Ｖの直流電圧を印加し、導電層２４には、（１０＋β）Ｖの直流電圧を印加する（αとβは共に正の値であり、その都度調整する）。そうすると、平面振動体１０の振動方向の共振周波数よりも高めに設計してある検出方向の共振周波数を小さく調整できるため、駆動方向と検出方向の共振周波数差（Δｆ）が小さく調整される。
【００４７】このような調整により、平面振動体１０の基板１の面に対する傾きに伴う検出方向のぶれ量を２％以下にし、かつ、駆動方向と検出方向の共振周波数差（Δｆ）を小さく調整することができる。例えば、共振素子１６の検出感度を、０．９度／sec.から０．３度／sec.程度まで向上することが実験的に確認され、３（＝０．９／０．３）倍程度の検出感度（分解能）向上が確認できた。なお、平面振動体１０や支持梁３等の状態や、各導電層２３，２４に印加する直流電圧の大きさ等によっては、３倍以上の検出感度向上も期待できる。
【００４８】この第１実施形態例によれば、上記のように、平面振動体１０の共振周波数調整と傾き補正を行なう振動体傾き補正手段としての導電層２３，２４を、互いにＸ方向に間隔を介して、基板１の平面振動体１０に対向する位置に設け、それら導電層２３，２４に印加する直流電圧値を適宜に調整することにより、平面振動体１０の駆動方向と検出方向の共振周波数差を小さくできると共に、平面振動体１０の傾きを小さくできる。このため、この共振素子１６は、その製造プロセスにおいて生じた誤差や使用環境の変化にとらわれることなく、平面振動体１０や支持梁３のトリミングを行なわなくても、感度が高く、かつ、ノイズが小さい優れた共振素子１６とすることができる。
【００４９】特に、この第１実施形態例では、導電層２３，２４を、互いにＸ方向に間隔を介した平面振動体１０の両端縁部領域に設けて、平面振動体１０である重り部２の重心位置と重り部２に静電力２１，２２が加えられる位置との間隔を長くしている。このため、梃の原理により、平面振動体１０の傾きを小さな静電力２１，２２でも補正することができ、導電パッド２７，２８を介して導電層２３，２４に印加する電圧の大きさを小さくできる。したがって、共振素子１６の大型化を抑制でき、小型の共振素子１６とすることができる。
【００５０】なお、この第１実施形態例において、例えば、図２の（ｄ）の鎖線に示すように、重り部２の表面に垂直移動側電極３０を設け、垂直移動側電極３０とＹ方向に間隔を介した対向側に、固定対向電極３１を設け、垂直移動側電極３０と固定対向電極３１の組を、Ｚ軸回りの回転の角速度変化に対応する重り部２のＹ方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角速度検出電極として構成すれば、前記の如く、Ｚ軸周りの回転により生じるＹ方向のコリオリ力を検出することにより、角速度の検出を行なうことができる。
【００５１】また、このように、基板１と反対側に固定対向電極３１を設ける場合は、同図２の（ｄ）の鎖線に示すように、例えばガラス製のカバー３２に固定対向電極３１を固定するとともに、カバー３２を接合部３４にて陽極接合によりポリシリコン膜５に接合して共振素子１６を形成するとよい。なお、接合部３４に予め金等の金属を蒸着などにより付着させておき、接合部３４を共晶接合しても共振素子１６を形成できる。
【００５２】図３の（ａ）には、本発明に係る共振素子の第２実施形態例の要部構成図が斜視図によって示されており、図３の（ｂ）には、図３の（ａ）に示すＢ－Ｂ’部分の断面図が示されている。この第２実施形態例の説明において、上記第１実施形態例と同一名称部分には同一符号が付し、その重複説明は省略する。
【００５３】第２実施形態例の共振素子は、角速度センサであり、この第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、第１に、図３の（ａ）に示すように、平面振動体１０を、基板１に浮いた状態で配置された枠体３６と、枠体３６の内側に連結梁４０を介して連結された重り部２を有する構成としたことであり、第２に、図３の（ｂ）に示すように、第１の振動体傾き補正手段としての導電層２３Ａ，２４Ａと第２の振動体傾き補正手段としての導電層２３Ｂ，２４Ｂを設けて共振素子１６を構成したことである。導電層２３Ａ，２４Ａは、平面振動体１０の面とＹ方向に間隔を介した対向面側である基板１上の、Ｘ方向に間隔を介した重り部２の両端縁部領域に設けており、導電層２３Ｂ，２４Ｂは、枠体３６に対向し、かつ、導電層２３Ａ，２４ＡをＸ方向に間隔を介して挟む位置に設けてある。
【００５４】導電層２３Ａ，２４Ａ，２３Ｂ，２４Ｂは、それぞれ、図示されていない別個の導電パターンを介して、図示されていない導電パッドに接続されており、この第２実施形態例では、各導電パッドに印加する直流電圧をそれぞれ調節することにより、平面振動体１０に静電引力２１Ａ，２２Ａ，２１Ｂ，２２Ｂを付与して平面振動体１０の共振周波数を調整し、基板１の基板面方向に対する平面振動体１０の傾きを補正する。
【００５５】また、この第２実施形態例では、重り部２は、例えば、シリコンやポリシリコンにより形成されており、該重り部２自体が垂直移動側電極３０として機能する。この重り部２とＹ方向に間隔を介した対向側の基板１上には固定対向電極３１が設けられている。重り部２（垂直移動側電極３０）と固定対向電極３１の組はＺ軸回りの回転の角速度変化に対応する重り部２のＹ方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角速度検出電極として構成されている。
【００５６】なお、この第２実施形態例では、基板１をガラスの基板としており、この基板１の上に、厚さ５０μｍのシリコン層を加工して、平面振動体１０および支持梁３を備えた振動子、固定部３５等を形成している。また、この第２実施形態例でも前記提案例および第１実施形態例と同様に、櫛形電極６Ａ，６Ｂには、駆動用導体層（図示せず）が接続されており、図示しない導体パターンを介して外部の電極パッド（図示せず）に接続されて励振器４を形成している。
【００５７】さらに、前記連結梁４０は重り部２の右側に、平面振動体１０の振動方向となるＸ方向と直交するＺ方向に沿って２本設けられており、重り部２は連結梁４０によって直角四辺形状の枠体３６の図の右側の辺に接続されている。連結梁４０は重り部２の検出振動方向となるＹ方向の厚みが５０μｍよりも小さく、Ｙ方向の剛性が平面振動体１０の振動方向であるＸ方向の剛性よりも小さく形成されている。また、支持梁３は平面振動体１０の振動方向であるＸ方向の剛性が重り部２の検出振動方向となるＹ方向の剛性よりも小さく形成されている。
【００５８】図中、５０は、キャビティとなる窪みを示しており、２０は重り部２（垂直移動側電極３０）への接続電極、３３は固定対向電極３１への接続電極をそれぞれ示している。
【００５９】第２実施形態例は以上のように構成されている。この第２実施形態例では、平面振動体１０の重り部２の両端縁部領域に対応する位置に導電層２３Ａ，２４Ａを設けて、静電引力２１Ａ，２２Ａにより重り部２を基板１側に引っ張り、さらに、これらの導電層２３Ａ，２４Ａを挟み、かつ、枠体３６に対応する位置に導電層２３Ｂ，２４Ｂを設けて、静電引力２１Ｂ，２２Ｂにより枠体３６を基板１側に引っ張ることができる構成とした。このため、重り部２と枠体３６を有する平面振動体１０のＹ方向の共振周波数を調整できると共に、重り部２と枠体３６の基板１の面に対する傾きを個別に補正することができる。
【００６０】したがって、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００６１】また、この第２実施形態例では、平面振動体１０を枠体３６と重り部２を有する構成とし、枠体３６と重り部２を連結する連結梁４０のＹ方向の剛性をＸ方向の剛性よりも小さく形成し、平面振動体１０を支持する支持梁３のＸ方向の剛性をＹ方向の剛性よりも小さく形成した。これにより、平面振動体１０がＸ方向に振動してＺ軸回りに回転すると、重り部２だけがＹ方向に振動し、枠体３６はＹ方向に殆ど振動しないようにすることができる。そのため、櫛形電極６Ｂが櫛形電極６Ａに対してＹ軸方向にずれることはなく、平面振動体１０は、前記駆動用導体層に印加した電圧分の振幅の大きさで常に安定して励振振動をすることができるし、Ｚ軸回りの回転角速度をより一層精度よく検知することができる。
【００６２】さらに、この第２実施形態例では、連結梁４０を平面振動体１０の振動方向となるＸ方向と直交するＺ方向に沿って設けたことにより、平面振動体１０の振動によって生じる加速度によるモーメントは重り部２のねじれ方向に発生して上下方向の変動成分が生じることはないために、Ｙ軸方向に生じるコリオリ力に影響を与えることはなく、Ｚ軸回りの回転角速度検知をより一層精度よく行うことができる。
【００６３】以下に、第３実施形態例を説明する。この第３実施形態例において特徴的なことは、応力キャンセル手段を設けたことである。それ以外の構成は前記各実施形態例と同様であり、この第３実施形態例の説明において、前記各実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００６４】上記各実施形態例で述べたような振動体傾き補正手段（導電層２３，２４）を設けて静電引力により平面振動体１０を基板１側に引っ張ると、支持梁３に引っ張り応力が生じる。この支持梁３の引っ張り応力によって、平面振動体１０の振動振幅が小さくなって共振素子１６の感度がやや落ちたり、平面振動体１０の振動が瞬間的に乱れて検知用の電気信号にノイズが発生することが懸念される。
【００６５】そこで、この第３実施形態例では、上記した応力キャンセル手段を設けて上記支持梁３の引っ張り応力を打ち消す方向の力を支持梁３に加える構成とした。図４の（ａ）には前記図１の共振素子１６に上記応力キャンセル手段を加えた場合の一例が示され、図４の（ｂ）には前記図３の共振素子１６に上記応力キャンセル手段を加えた場合の一例が示されている。これら図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、この第３実施形態例では、応力キャンセル手段である導電層４１，４２（４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ）が平面振動体１０の面を介して上記振動体傾き補正手段（導電層２３，２４（２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ））と対向し該振動体傾き補正手段とにより平面振動体１０を間隔を介して挟み込む形態で設けられている。
【００６６】上記導電層４１，４２（４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ）には、図示されていない導電パターン等を介して直流の電圧が印加される構成と成しており、これら導電層４１，４２（４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ）に直流電圧を印加すると、それら導電層４１，４２（４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ）と平面振動体１０間に互いに引き合う方向の静電引力が発生して平面振動体１０が図４の上側に引っ張り上げられる。
【００６７】これにより、支持梁３には上記振動体傾き補正手段に起因した引っ張り応力を打ち消す方向の力が間接的に加えられる。このことから、上記導電層４１，４２（４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ）に印加する直流電圧の大きさを調整することで、支持梁３の上記引っ張り応力をほぼ打ち消すことが可能である。例えば、図４の（ａ）に示す各導電層２３，２４，４１，４２への直流電圧印加によって平面振動体１０に加えられる各静電引力の大きさをそれぞれＦ23、Ｆ24、Ｆ41、Ｆ42としたときに、Ｆ23＋Ｆ24＝Ｆ41＋Ｆ42の式が成り立つように、各導電層２３，２４，４１，４２に印加する直流電圧の大きさを決定する。これにより、支持梁３の上記引っ張り応力をほぼ打ち消すことができる。
【００６８】この第３実施形態例によれば、応力キャンセル手段を設け、該応力キャンセル手段によって支持梁３に無用な引っ張り応力を打ち消す構成を備えたので、その支持梁３の引っ張り応力に起因した様々な問題発生を確実に回避することができる。平面振動体１０は理想的な振動することが可能となり、より一層、感度が良く、かつ、ノイズが小さい共振素子を提供することができる。
【００６９】なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記第１実施形態例では、平面振動体１０の両端縁部領域のみに導電層２３，２４を設けたが、導電層２３，２４は、平面振動体１０の少なくとも両端縁部領域に設ければよく、それ以外の領域にも導電層２３，２４を設けてもよい。また、上記第１実施形態例では、平面振動体１０（重り部２）はポリシリコンにより形成されていたが、シリコンにより構成してもよい。また、第１実施形態例で示した共振素子１６を角速度センサとして用いる場合に、重り部２に垂直移動側電極３０を設けていたが、シリコンから成る重り部２自体が垂直移動側電極として機能する構成としてもよい。
【００７０】また、上記第２実施形態例では、重り部２の両端縁部領域のみに、第１の振動体傾き補正手段としての導電層２３Ａ，２４Ａを設けたが、導電層２３Ａ，２４Ａは、重り部２の少なくとも両端縁部領域に設ければよく、それ以外の領域にも導電層２３Ａ，２４Ａを設けてもよい。ただし、図３の（ａ）に示したように、重り部２の下部側に固定対向電極３１を設ける場合、導電層２３Ａ，２４Ａは、それぞれ、固定対向電極３１の配設部を避けた位置に設けられる。
【００７１】さらに、上記第２実施形態例では、連結梁４０は重り部２の右側に設け、連結梁４０によって、重り部２を枠体３６の図の右側の辺に接続したが、連結梁４０を重り部２の左側に設けてもよいし、連結梁４０を重り部２の両側に設けて、両持ち梁状態で重り部２を枠体３６に接続してもよい。また、連結梁４０は、Ｘ方向に沿って設けても構わない。ただし、連結梁４０をＺ方向に沿って設けることにより、前記の如く、振動によって生じる加速度の影響を受けることなくＺ軸回りの回転角速度を検知することができるために、連結梁４０をＺ方向に設けることが望ましい。
【００７２】また、上記第２実施形態例のように、枠体３６を設けて平面振動体１０を構成するときに、図５の（ａ）、（ｂ）に示すように、重り部２の四隅部にそれぞれ、Ｌ字形状の連結梁４０の短辺４６の先端側を接続し、各連結梁４０のＬ字形状の長辺４７を、重り部２の辺に間隔を介して沿わせて、Ｌ字形状の短辺４６の先端側が接続されている隅部に向けて伸設し、その伸設先端側を枠体３６側に接続してもよい。
【００７３】このようにした場合も、これらの図に示すように、上記第２実施形態例と同様に、導電層２３Ａ，２４Ａ，２３Ｂ，２４Ｂおよび、導電層２３Ａ，２４Ａ，２３Ｂ，２４Ｂに接続する導電パターン２５Ａ，２６Ａ，２５Ｂ，２６Ｂと導電パッド２７Ａ，２８Ａ，２７Ｂ，２８Ｂとを設けて、静電引力２１Ａ，２２Ａにより重り部２を基板１側に引っ張り、静電引力２１Ｂ，２２Ｂにより枠体３６を基板１側に引っ張ることにより、上記第２実施形態例と同様の効果を奏することができる。また、この図５に示す形態の共振素子１６においても、図４の（ｃ）に示すように、前記第３実施形態例で述べたような応力キャンセル手段である導電層４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂを設けることにより、上記第３実施形態例と同様の効果を奏することができることとなる。
【００７４】さらに、上記第１実施形態例と第２実施形態例では、平面振動体１０の両端縁の辺に沿って伸長された導電層２３，２４を形成したが、例えば、複数の微細な導体層が平面振動体１０の両端縁の辺に沿って配列形成されている構成としてもよい。この場合には、少なくとも、四辺形状の平面振動体１０の四隅部分に対向する上記微細な導体層が設けられることが望ましい。
【００７５】さらに、上記第２実施形態例では、重り部２自体が垂直移動側電極として機能していたが、重り部２の表面側と裏面側の少なくとも一方に別個の垂直移動側電極３０を設けてもよい。なお、重り部２の表面側に垂直移動側電極３０を設ける場合、例えば図２の（ｄ）に示した状態と同様に、重り部２に対向するカバー３２などを設けて、そのカバー３２等に固定対向電極が設けられる。
【００７６】さらに、上記第１実施形態例において、重り部２の裏面側に垂直移動側電極３０を設け、基板１上の重り部２に対向する位置に固定対向電極３１を設けてもよい。
【００７７】さらに、上記第１実施形態例と第２実施形態例では、振動体傾き補正手段として機能する導電層２３，２４（２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ）は基板１に設けられていたが、図２の（ｄ）に示すように平面振動体１０を覆うカバー３２が設けられる場合には、それら導電層２３，２４（２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ）を基板１ではなくカバー３２に設けてもよい。この場合にも、上記各実施形態例と同様に、導電層２３，２４は平面振動体１０の両端縁部領域に設ける。また、そのように、振動体傾き補正手段として機能する導電層２３，２４がカバー３２に設けられる場合に、上記第３実施形態例に示した応力キャンセル手段である導電層４１，４２を設ける場合には、それら導電層４１，４２は、基板１に、平面振動体１０の面を介して上記導電層２３，２４に対向し該導電層２３，２４とよって平面振動体１０を挟み込む形態で設けられることとなる。
【００７８】さらに、上記第３実施形態例では、支持梁３の引っ張り応力を打ち消す方向の力を支持梁３に間接的に加える構成であったが、例えば、支持梁３に直接的に静電引力が付与されるように応力キャンセル手段である導電層を設けてもよい。
【００７９】さらに、上記各実施形態例では、平面振動体１０を両端固定する構成としたが、この平面振動体１０を片側固定方式（片持ち梁方式）としてもよい。
【００８０】さらに、上記各実施形態例では、共振素子１６を角速度センサに適用する例について説明したが、本発明の共振素子は角速度センサ以外の他の分野にも利用することができる。
【００８１】
【発明の効果】本発明によれば、振動体傾き補正手段が設けられているので、上記振動体傾き補正手段によって、平面振動体の共振周波数の調整と、固定基板の基板面方向に対する平面振動体の傾きの補正とを共に行なうことができる。このため、面倒なトリミング加工を行わなくても、コリオリ力により振動する平面振動体の振動方向と検出方向の共振周波数の差を小さくすることができ、かつ、検出方向のぶれも小さくすることができ、感度が高く、かつ、ノイズが小さい優れた共振素子とすることができる。
【００８２】また、平面振動体を枠体と重り部とを設けて構成し、平面振動体の面とＹ方向に間隔を介した対向面側にはＸ方向に間隔を介した少なくとも重り部の両端縁部領域に第１の振動体傾き補正手段が設けられているとともに、前記枠体に対向し、かつ、前記第１の振動体傾き補正手段をＸ方向に間隔を介して挟む位置に第２の振動体傾き補正手段を設けたものにあっては、重り部と枠体を有する平面振動体の共振周波数を調整できると共に、重り部と枠体の固定基板の面に対する傾きを個別に補正することができる。
【００８３】また、枠体の内側に連結梁を介して重り部を設けており、連結梁の構成によっては枠体と重り部の動きを独立させ、例えば平面振動体がＸ方向に振動してＺ軸回りに回転したとき、重り部だけがＹ方向に振動し、枠体はＹ方向にほとんど振動しないようにすることもできるため、このようにすれば、平面振動体をより一層安定して振動方向に励振振動させることができる。
【００８４】さらに、応力キャンセル手段を設けたものにあっては、該応力キャンセル手段によって、振動体傾き補正手段による平面振動体への静電引力付与に起因した支持梁の引っ張り応力を打ち消す方向の力を支持梁に直接的に又は間接的に加えることができるので、上記支持梁の無用な引っ張り応力によって発生する様々な問題を確実に回避することができる。これにより、より一層、感度が高く、かつ、ノイズが小さい優れた共振素子を提供することが可能となる。
【００８５】さらに、重り部の表面と裏面の少なくとも一方には垂直移動側電極が設けられるとともに該垂直移動側電極とＹ方向に間隔を介した対向側には固定対向電極が設けられ、前記垂直移動側電極と固定対向電極の組はＺ軸回りの回転の角速度変化に対応する重り部のＹ方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角速度検出電極として構成した発明や、重り部自体が上記垂直移動側電極として機能する発明によれば、垂直移動側電極と固定対向電極の組により形成したＺ軸周り角速度検出電極により、Ｚ軸周りの角速度を正確に検出することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００６２３１【氏名又は名称】株式会社村田製作所
【出願日】	平成１１年１２月３日（１９９９．１２．３）
【代理人】	【識別番号】１０００９３８９４【弁理士】【氏名又は名称】五十嵐清
【公開番号】	特開２００１－８２９６４（Ｐ２００１－８２９６４Ａ）
【公開日】	平成１３年３月３０日（２００１．３．３０）
【出願番号】	特願平１１－３４４６４８