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図面 (5)

目的

検知感度が良好で、かつ、極めて小型の共振型振動素子を提供する。

構成

Si基板1と圧電体2の積層構造からなる片持梁のSi基板1側に、4本の梁4からなる両持梁の第1の振動体8と、この第1の振動体8の中央部に上下方向(紙面垂直方向)に振動する第2の振動体10を形成する。前記圧電体2に直流電圧印加して、圧電体2に圧縮応力を発生させると、Si基板1に引っ張り応力が加わり、第1の振動体8は引っ張られ、その張力により共振周波数が高くなる。圧電体2の印加電圧を調整することにより、第1の振動体8の共振周波数と、第2の振動体10の共振周波数を一致させる。

概要

背景

図4には、従来のジャイロ等の共振型振動素子の斜視図が示されている。この共振型振動素子15は、シリコン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型振動素子である。同図において、Si基板1上には窒化膜(図示せず)とポリシリコン膜5が形成され、この窒化膜およびポリシリコン膜5を、例えば、シリコンのドライエッチング等により加工し、その後、ポリシリコン膜下部の犠牲層PSG膜)をエッチングすることで、Si基板1から浮いた状態で4本の梁を介して両端固定の第1の振動体8が形成され、中央部には上下方向(紙面に対して垂直方向)に振動する片持梁の第2の振動体10が形成されている。

この第1の振動体8の両側には、横方向(梁4の長さ方向に対して直交方向)の外側に向かって櫛形電極6Bが形成され、この櫛形電極6Bと対向する位置に、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、図示しない駆動用導体層が接続されている。この駆動用導体層に交流電圧印加すると、櫛形電極6A,6B間に静電力が発生し、この静電力により、第1の振動体8および第2の振動体10は、矢印Fの横方向(梁4に対して直交方向)に振動するようになっている。

上記構成の共振型振動素子15の櫛形電極6A,6Bを駆動し、第1の振動体8および第2振動体10を横方向に駆動し、この振動素子15にZ軸を回転軸とする角速度が作用すると、図4の紙面に対して垂直方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力が第2の振動体10に加えられ、第2の振動体10はコリオリ力の方向に振動する。このときの第2の振動体10のコリオリ力による振動の振幅の大きさに対応する信号を、容量変化等の方法で測定することで、例えば、角速度の大きさを検知するものである。

概要

検知感度が良好で、かつ、極めて小型の共振型振動素子を提供する。

Si基板1と圧電体2の積層構造からなる片持梁のSi基板1側に、4本の梁4からなる両持梁の第1の振動体8と、この第1の振動体8の中央部に上下方向(紙面に垂直方向)に振動する第2の振動体10を形成する。前記圧電体2に直流電圧を印加して、圧電体2に圧縮応力を発生させると、Si基板1に引っ張り応力が加わり、第1の振動体8は引っ張られ、その張力により共振周波数が高くなる。圧電体2の印加電圧を調整することにより、第1の振動体8の共振周波数と、第2の振動体10の共振周波数を一致させる。

目的

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、検知感度が良好で、かつ、極めて小型の共振型振動素子を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

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請求項1

共振周波数振動させる振動体を備えた共振型振動素子において、前記振動体が、弾性材料基板圧電体との積層構造からなる片持梁又は両持梁の弾性材料基板側表面に形成されていることを特徴とする共振型振動素子。

技術分野

0001

本発明は、ジャイロ等の共振型振動素子に関するものである。

背景技術

0002

図4には、従来のジャイロ等の共振型振動素子の斜視図が示されている。この共振型振動素子15は、シリコン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型振動素子である。同図において、Si基板1上には窒化膜(図示せず)とポリシリコン膜5が形成され、この窒化膜およびポリシリコン膜5を、例えば、シリコンのドライエッチング等により加工し、その後、ポリシリコン膜下部の犠牲層PSG膜)をエッチングすることで、Si基板1から浮いた状態で4本の梁を介して両端固定の第1の振動体8が形成され、中央部には上下方向(紙面に対して垂直方向)に振動する片持梁の第2の振動体10が形成されている。

0003

この第1の振動体8の両側には、横方向(梁4の長さ方向に対して直交方向)の外側に向かって櫛形電極6Bが形成され、この櫛形電極6Bと対向する位置に、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、図示しない駆動用導体層が接続されている。この駆動用導体層に交流電圧印加すると、櫛形電極6A,6B間に静電力が発生し、この静電力により、第1の振動体8および第2の振動体10は、矢印Fの横方向(梁4に対して直交方向)に振動するようになっている。

0004

上記構成の共振型振動素子15の櫛形電極6A,6Bを駆動し、第1の振動体8および第2振動体10を横方向に駆動し、この振動素子15にZ軸を回転軸とする角速度が作用すると、図4の紙面に対して垂直方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力が第2の振動体10に加えられ、第2の振動体10はコリオリ力の方向に振動する。このときの第2の振動体10のコリオリ力による振動の振幅の大きさに対応する信号を、容量変化等の方法で測定することで、例えば、角速度の大きさを検知するものである。

発明が解決しようとする課題

0005

ところで、高感度な共振型振動素子15にするためには、第1の振動体8の4本の梁4による横方向(梁4に長さ方向に対して直交方向)の横共振周波数と、第2の振動体10のコリオリ力の方向(紙面に垂直方向)の垂直共振周波数を一致させ、共に共振状態で使用する必要がある。そのため、予め設計段階で、横方向に振動する第1の振動体8の横共振周波数と、第2の振動体10のコリオリ力の方向の垂直共振周波数とを合うように、第1の振動体8や第2の振動体10の形状、寸法、重量等を設計作製するが、第1の振動体8や第2の振動体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、横方向、垂直方向の共振周波数が互いに設計値からずれることが度々発生し、振動素子15の感度が低下するという問題がある。そのため、第1の振動体8や第2の振動体10を、レーザ等によってトリミングし、第1の振動体8の横共振周波数と、第2の振動体の垂直共振周波数を一致させる必要がある。

0006

しかしながら、前記共振型振動素子15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振動素子15のため、レーザ照射等でトリミング加工を行うことは極めて困難である。すなわち、微細な振動素子15のトリミング領域に対してレーザビームスポット径が大きく、所望の共振周波数を得るために必要な微小トリミング調整部分をトリミングしようとしても、レーザビームのスポット径が、微小のトリミングしたい部分よりも大き過ぎてトリミングし過ぎてしまい、所望の共振周波数を得るためのトリミングの調整ができず、振動素子15の第1の振動体8の共振周波数と、第2の振動体10の共振周波数を一致調整することは極めて困難であった。

0007

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、検知感度が良好で、かつ、極めて小型の共振型振動素子を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

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、本発明は、共振周波数で振動させる振動体を備えた共振型振動素子において、前記振動体が、弾性材料基板圧電体との積層構造からなる片持梁又は両持梁の弾性材料基板側表面に形成されていることを特徴として構成されている。

0009

弾性材料の基板と圧電体の積層構造からなる片持梁又は両持梁の弾性材料の基板側に、共振周波数で振動させる振動体を形成する。前記圧電体に直流電圧を印加し、圧電体に圧縮応力を発生させると、弾性材料の基板には引っ張り応力が加わり、振動体は引っ張られて引っ張り応力を生ずる。この張力によって振動体の共振周波数は高まるので、圧電体の印加電圧を調整することにより、振動体の共振周波数を予め設計段階で設定した共振周波数に調整することが可能となる。

0010

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。本実施例の説明において、従来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。図1には、第1の実施例の共振型振動素子が示されている。本実施例の共振型振動素子15は、従来例と同様に、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のジャイロ等の共振型振動素子15である。

0011

一般に、共振型振動素子の共振周波数は、振動素子に応力を加えることで変化することが知られている。その周波数初期周波数f0 と周波数の変化量Δfとの割合Δf/f0 は、両持梁の場合、Δf/f0 =(1+0.295 L2 σ/ET2)1/2 −1で表される。ここでLは梁の長さ、Tは梁の厚さ、σは応力を表す。発明者らは、この応力σと周波数変化に着目し、Si基板1と圧電体2の積層構造の共振型振動素子を提案するものである。

0012

第1の実施例の共振型振動素子15の特徴的なことは、チタン酸ジルコン酸鉛等からなる圧電体2と弾性材料基板としてのSi基板1との積層構造を形成し、この積層構造の片持梁のSi基板1側に、第1および第2の振動体8,10を設けたことである。

0013

前記第1の振動体8は4本の梁4によって両端固定されており、従来例と同様に、この第1の振動体8の中央部には、上下方向(紙面に垂直方向)に振動する片持梁の第2の振動体10が設けられている。前記第1の振動体8の両側には、従来例と同様に、第1の振動体8を梁4の長さ方向に対して直交する方向(横方向)に振動させる櫛形電極(図示せず)が設けられている。

0014

前記圧電体2に直流電圧を印加すると、圧電体2は圧縮応力を発生して、Si基板1の両持梁の第1の振動体8に引っ張り応力を加える。この引っ張り応力により第1の振動体8は引っ張られ、この張力により共振周波数が高まるが、第2の振動体10はフリー状態のため、第2の振動体10には引っ張り応力が加わらない。そこで、第1の振動体8の共振周波数を第2の振動体10の共振周波数よりもやや低めに設定し、第1の振動体8の共振周波数を圧電体2の印加電圧を調整することによって、第2の振動体10の共振周波数に合わせる構成としている。

0015

このように、圧電体2の印加電圧を調整し、第1の振動体8の共振周波数と、第2の振動体10の共振周波数とを一致するように調整することで、共振型振動素子15の感度が高められる。

0016

この共振型振動素子15の図示しない櫛形電極を駆動して、第1の振動体8を横方向(梁4の長さ方向に直交する方向)に振動し、Z軸を回転軸とする角速度が作用すると、図1の紙面に垂直方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力が第2の振動体10に加えられ、第2の振動体10はコリオリ力の方向に振動する。この振動の振幅の大きさを測定することで、従来と同様に角速度を検出するものである。

0017

第1の実施例によれば、弾性材料基板としてのSi基板1と圧電体2との積層構造の片持梁のSi基板1側に、両持梁の第1の振動体8を設け、片持梁のSi基板1側の中央部に第2の振動体10を設ける構成としたので、圧電体2の印加電圧を調整することにより、第1の振動体8に引っ張り応力を与え、この引っ張り応力によって第1の振動体8の共振周波数と、第2の振動体10の共振周波数とを一致するように調整することができるため、シリコンのマイクロマシニング技術で作製した微細な共振型振動素子15であっても、この振動素子15はその製造プロセスにおいて生じた誤差使用環境の変化にとらわれることがなく、高感度、高精度で、例えば、角速度検出が可能となる。

0018

図2には、第2の実施例の共振型振動素子の斜視図が示されている。この振動素子15は共振子として機能するもので、その振動体は第1の実施例と同様に片持梁で支持されているが、紙面に対して垂直方向に振動する振動体は両端固定されている。弾性材料基板としてのSi基板1の裏面には、第1の実施例と同様に圧電体2が形成され、Si基板1と圧電体2の積層構造となっている。

0019

第2の実施例では、圧電体2に直流電圧を印加し、圧電体2に圧縮応力を発生させると、第1の実施例と同様に、Si基板1には引っ張り応力が加わる。振動体10はSi基板1に両端固定されているため、振動体10に引っ張り応力が直接加わって引っ張られ、その張力によって振動体10は共振周波数が高まる方向となるので、圧電体2の印加電圧を調整することで、振動体10の周波数を設計段階の設定共振周波数に調整することができる。

0020

図3には、本実施例の共振型振動素子の製造プロセスの一例が示されている。まず、図3の(a)に示すように、弾性材料基板としてのSi基板1の上面中央部に、振動体の振幅の大きさを容量変化として検出するための電極として、リンPやボロンBをドープした導電層11を形成し、Si基板1の表裏両面に窒化膜7をマスク形成する。図3の(b)では、Si基板1の裏面の窒化膜7をパターニングし、図3の(c)では、Si基板1の表面にPSG等の犠牲層9を形成してパターニングする。次いで、犠牲層9および窒化膜7上にリンPをドープした導電性のポリシリコン膜5を形成し、熱処理を行ってポリシリコン膜5の残留応力を除去する。図3の(d)では、ポリシリコン膜5の表面を酸化シリコン(SiO2 )膜13で保護し、裏面よりTMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide )等のエッチング液でシリコンの異方性エッチングを行い、Si基板1の裏側に肉薄部12を形成する。

0021

次いで、図3の(e)では、Si基板1の裏面に下部電極としての電極パターン(図示せず)を形成し、この電極パターン表面側にチタン酸、ジルコン酸鉛等のセラミック薄膜の圧電体2を形成する。この圧電体2をイオンミリング等でパターニングした後、その表面に上部電極としての電極パターンを形成し、その表面上を酸化膜等でカバーし、Si基板1の肉薄部12をRIEでエッチング加工し、素子下部の片持梁を形成する。図3の(f)では、ポリシリコン膜5を酸化膜でマスクし、このポリシリコン膜5をRIEエッチングで目標の形状に加工した後、酸化膜、犠牲層9を弗酸(HF)溶液でエッチングして、Si基板1から浮いた状態の振動体10を得る。

0022

なお、本発明は上記実施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、上記実施例では、圧電材料としてチタン酸、ジルコン酸鉛を用いたが、チタン酸鉛等のセラミック薄膜でもよく、圧電特性の優れた材料ならば、その材料の種類を限定しない。

0023

また、上記実施例では、ジャイロ等の共振型振動素子について説明したが、本発明の共振型振動素子はジャイロ以外の他の分野の共振子にも利用することができる。

0024

さらに、上記実施例では、振動素子15の基材としてSi基板1を用いたが、異方性エッチングが可能であれば、例えば、水晶等の他の単結晶材料でもよい。

0025

さらにまた、上記実施例では、共振周波数で振動する振動素子15を片持梁方式で支持する構成としたが、この振動素子15を両端固定の両持梁方式としてもよい。

発明の効果

0026

本発明は、弾性材料の基板と圧電体との積層構造の片持梁又は両持梁の弾性材料の基板側に振動体を設ける構成としたので、圧電体の印加電圧を調整することにより、振動体に引っ張り応力(引っ張り張力)を加えることによって、振動体の共振周波数を予め設計段階で設定した共振周波数に調整することができるため、シリコンのマイクロマシニング技術で製作した微細な共振型振動素子であっても、この振動素子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がなく、高感度、高精度で、例えば、角速度検出が可能となる。

図面の簡単な説明

0027

図1第1の実施例の共振型振動素子の斜視図である。
図2第2の実施例の共振型振動素子の斜視図である。
図3本発明の共振型振動素子の製造プロセスの一例を示す説明図である。
図4従来の共振型振動素子の斜視図である。

--

0028

1Si基板
2圧電体
4 梁
5ポリシリコン膜
8 第1の振動体
10 第2の振動体
15共振型振動素子

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