JP2000298138A - Bimorph type piezoelectric element and manufacture thereof - Google Patents

Bimorph type piezoelectric element and manufacture thereof

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JP2000298138A
JP2000298138A JP10792199A JP10792199A JP2000298138A JP 2000298138 A JP2000298138 A JP 2000298138A JP 10792199 A JP10792199 A JP 10792199A JP 10792199 A JP10792199 A JP 10792199A JP 2000298138 A JP2000298138 A JP 2000298138A
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JP
Japan
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piezoelectric element
support
free
type piezoelectric
free vibration
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Pending
Application number
JP10792199A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazunari Nishihara
和成 西原
Hirobumi Tajika
博文 多鹿
Koji Nomura
幸治 野村
Motoyuki Taji
基幸 田路
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP10792199A priority Critical patent/JP2000298138A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bimorph type piezoelectric element compact and high in sensitivity with little dispersion in sensitivity by providing a support body on one side of a free vibrating part with a pair of piezoelectric plates jointed face to face and providing the free vibrating part and the support part with an electrode separated by a groove. SOLUTION: A pair of lithium niobate plates are directly jointed to form a rectangular free vibrating part 1, and one main face thereof is integrally provided with a support body 3 with a groove 2 provided at a face opposed to the free vibrating part 1. The support body 3 and the main face of the free vibrating part 1 are provided with an electrode 4 separated by the groove 2. When manufacturing, LN monocrystal rectangular plates are directly jointed in the opposed state of positive polarization faces to form a free vibrating sheet. One face thereof is totally ground to a thickness of about 0.05 mm. With the grounded face as a reference, an ungrounded face is grounded to make the thickness of the free vibrating part sheet about 0.1 mm to simultaneously form the free vibrating part 1 and support body 3. Electrodes 4 are then formed by vapor deposition, sputtering or plating on both faces of the free vibrating part sheet grounded on both sides, and cut in specified size to form the groove 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ハードディスクド
ライブやCD−ROM等の各種機器の振動検出に用いら
れる加速度センサに用いられる圧電素子に関するもの
で、特にバイモルフ型圧電素子およびその製造方法に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric element used for an acceleration sensor used for detecting vibrations of various devices such as a hard disk drive and a CD-ROM, and more particularly to a bimorph type piezoelectric element and a method of manufacturing the same. is there.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、パソコンの小型化、高性能化が急
速に進むに伴って、静止画はもちろんのこと動画も容易
に取り扱えるようになってきている。そのため、大容量
の画像データを記録・再生するためにHDDと呼ばれる
ハードディスク記憶装置の小型化、大容量化が大きく貢
献しており、最近では30Mビット/cm2を超えるも
のも出現している。このような記録密度の高密度化が進
むと小さな衝撃でもヘッドが記録用のトラックから外れ
ることによりデータの読込や書込に不具合が発生し、最
悪の場合、磁気ヘッドが記録用のディスク表面に衝突し
てHDDの破壊につながることになる。ましてや携帯用
途では衝撃が加わりやすいこともあり、衝撃に対するヘ
ッドの位置を制御する必要がある。磁気ヘッドの位置制
御用加速度センサには、加速度を高精度に検出できるこ
とはもちろんのこと、厳密に言えば、磁気ヘッドを搭載
したアームは制御用のボイスコイルへ片端で固定されて
いるため、ヘッドの位置制御には角加速度の検知も必要
となる。これまでに衝撃を検知する圧電セラミック製の
圧電素子は開発されているが、ヘッドの衝撃回避のみで
あり、衝撃の加速度を高精度に検出してヘッドの位置を
制御できる高精度な圧電素子センサは実現されていな
い。これは、センサの構造上、加速度の履歴に対しヒス
テリシスを生じやすく、また、材料の関係上、センサ特
性の経時変化を生じやすいことに起因する。
2. Description of the Related Art In recent years, with the rapid miniaturization and high performance of personal computers, moving images as well as still images can be easily handled. Therefore, miniaturization and large capacity of a hard disk storage device called an HDD for recording / reproducing a large amount of image data have greatly contributed, and recently, a device exceeding 30 Mbit / cm 2 has appeared. As the recording density increases, even if the impact is small, the head may be displaced from the recording track, causing data reading or writing problems. In the worst case, the magnetic head may be moved to the surface of the recording disk. The collision will lead to the destruction of the HDD. In addition, in portable applications, impact may be easily applied, and it is necessary to control the position of the head with respect to the impact. The acceleration sensor for controlling the position of the magnetic head can detect the acceleration with high accuracy. Strictly speaking, the arm on which the magnetic head is mounted is fixed at one end to the voice coil for control. In the position control, the detection of angular acceleration is also required. Until now, a piezoelectric element made of piezoelectric ceramic that detects impact has been developed.However, it is a high-precision piezoelectric element sensor that can only detect the impact of the head and detect the acceleration of the impact and control the position of the head. Has not been realized. This is because hysteresis easily occurs in the history of acceleration due to the structure of the sensor, and sensor characteristics tend to change with time due to the material.

【0003】従来の圧電セラミックを用いた圧電素子
は、次式に表されるように、加速度(衝撃)αに比例す
る力Fにより圧電セラミックに歪みが生じ、その歪みを
電荷(電圧)として取り出すものである。「F=k1×
α」および「Q(V)=k2×F」となり、ここでk1
およびk2は比例定数である。
In a conventional piezoelectric element using a piezoelectric ceramic, as shown in the following equation, a distortion is generated in the piezoelectric ceramic by a force F proportional to an acceleration (shock) α, and the distortion is taken out as a charge (voltage). Things. “F = k1 ×
α ”and“ Q (V) = k2 × F ”, where k1
And k2 are proportional constants.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来の圧電素子は、加
速度αがかかった時、長さLの自由振動部をもつバイモ
ルフ型圧電素子に発生する電荷(電圧)Q(V)は、
「Q(V)=k3×L2×α(ここで、k3は比例定数
である。)」となり、発生電荷はセンサーの感度となる
ので、センサー感度は自由振動部の長さLの2乗に比例
することになるので、自由振動部の長さがばらつき、ま
た角加速度の同時検出も困難であるという課題を有して
いた。
In a conventional piezoelectric element, when an acceleration α is applied, a charge (voltage) Q (V) generated in a bimorph type piezoelectric element having a free vibration portion having a length L is
“Q (V) = k3 × L2 × α (where k3 is a proportionality constant)”, and the generated charge is the sensitivity of the sensor. Therefore, the sensor sensitivity is the square of the length L of the free vibration portion. Since it is proportional, the length of the free vibration portion varies, and it is difficult to detect angular acceleration simultaneously.

【0005】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、自由振動部の長さのばらつきが小さく、また角加速
度を同時検出できるバイモルフ型圧電素子およびその製
造方法を提供することを目的とするものである。
An object of the present invention is to provide a bimorph type piezoelectric element capable of simultaneously detecting the angular acceleration with a small variation in the length of the free vibration portion and a method of manufacturing the same. Things.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、一対の圧電板を対面接合して設けられた自
由振動部と、この一方の自由振動部に一体に設けられ前
記自由振動部と接する面と対向する面に溝を備えた支持
体と、この支持体および前記自由振動部に前記溝により
分離された電極を備えたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the present invention provides a free vibration portion provided by joining a pair of piezoelectric plates face to face, and the free vibration portion provided integrally with one of the free vibration portions. A support having a groove on a surface opposite to a surface in contact with the vibrating portion, and an electrode separated by the groove on the support and the free vibrating portion.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載の発明
は、一対の圧電板を対面接合して設けられた自由振動部
と、この一方の自由振動部に一体に設けられ前記自由振
動部と接する面と対向する面に溝を備えた支持体と、こ
の支持体および前記自由振動部に前記溝により分離され
た電極を備えたもので、小型・高感度でかつ感度ばらつ
きが小さく並進加速度と角加速度の両方が検出可能なバ
イモルフ型圧電素子を提供する作用を有するものであ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS According to the first aspect of the present invention, there is provided a free vibration portion provided by joining a pair of piezoelectric plates face to face, and the free vibration portion provided integrally with one of the free vibration portions. A support having a groove on a surface opposite to a surface in contact with the portion, and an electrode separated by the groove on the support and the free vibrating portion. This has the function of providing a bimorph type piezoelectric element capable of detecting both acceleration and angular acceleration.

【0008】請求項2に記載の発明は、請求項1記載の
支持体を有さない主表面の電極は、連続して共通である
もので、電極形成においてフォトリソの工程が不要な低
コストな加速度センサ用バイモルフ型圧電素子を提供す
る作用を有するものである。
According to a second aspect of the present invention, the electrodes on the main surface without the support according to the first aspect are continuous and common, and a low-cost electrode that does not require a photolithography step in forming the electrodes. This has the function of providing a bimorph type piezoelectric element for an acceleration sensor.

【0009】また、請求項3に記載の発明は、請求項1
記載の自由振動部は、ニオブ酸リチウム単結晶からな
り、対向する主面が120°以上150°以下の回転Y
板切り出し面であるもので、小型・高感度でかつ感度ば
らつきが小さく並進加速度と角加速度の両方が検出可能
なバイモルフ型圧電素子を提供する作用を有するもので
ある。
[0009] The invention described in claim 3 is the first invention.
The free vibrating portion described is made of a lithium niobate single crystal, and a main surface facing the same has a rotation Y of 120 ° or more and 150 ° or less.
This is a plate cut surface, and has an effect of providing a bimorph type piezoelectric element which is small, has high sensitivity, has small sensitivity variation, and can detect both translational acceleration and angular acceleration.

【0010】また、請求項4に記載の発明は、請求項1
記載の自由振動部は、対向主面が正分極面であるもの
で、負分極面と正分極面の加工異方性を利用して加工時
間を短縮できる作用を有するものである。
[0010] The invention described in claim 4 is the first invention.
The free vibrating portion described has an opposing main surface that is a positively polarized surface, and has an effect of reducing the processing time by utilizing the processing anisotropy of the negatively polarized surface and the positively polarized surface.

【0011】また、請求項5に記載の発明は、請求項1
記載の電極は、Cr/Au、Ti/Au、あるいはNi
/Auのいずれかであるもので、めっき及び蒸着等によ
り容易に形成でき低コストなバイモルフ型圧電素子を提
供する作用を有するものである。
The invention described in claim 5 is the first invention.
The electrodes described are Cr / Au, Ti / Au, or Ni.
/ Au, which has an effect of providing a low-cost bimorph-type piezoelectric element that can be easily formed by plating, vapor deposition, or the like.

【0012】また、請求項6に記載の発明は、請求項1
記載の自由振動部は、対面接合された一対の圧電板の一
方の厚みをt1、他方の厚みをt2とすると、t2/t
1が0.7以上1.4以下であるもので、焦電効果によ
る温度特性への影響を低減する作用を有するものであ
る。
The invention according to claim 6 is the first invention.
The free vibration portion described is t2 / t, where one thickness of a pair of face-to-face bonded piezoelectric plates is t1 and the other thickness is t2.
1 is 0.7 or more and 1.4 or less, and has an effect of reducing the influence of the pyroelectric effect on the temperature characteristics.

【0013】また、請求項7に記載の発明は、請求項1
記載の支持体は、主表面と少なくともその一側面との角
部が曲面あるいは面取りされているもので、自由振動部
主表面から支持体主表面への電極取り出しを容易にする
作用を有するものである。
The invention according to claim 7 is the first invention.
The support described above is one in which the corners of the main surface and at least one side surface are curved or chamfered, and has an action of facilitating electrode extraction from the free vibration portion main surface to the support main surface. is there.

【0014】また、請求項8に記載の発明は、請求項7
記載の曲面または面取りされた支持体は、曲率半径およ
び面取り量が前記支持体厚みの1/4以下であるもの
で、自由振動部主表面から支持体主表面への電極取り出
しを容易にする作用を有するものである。
The invention described in claim 8 is the same as the invention described in claim 7.
The curved or chamfered support described above has a radius of curvature and an amount of chamfer of not more than 1/4 of the thickness of the support, and facilitates electrode extraction from the free vibration portion main surface to the support main surface. It has.

【0015】また、請求項9に記載の発明は、請求項1
記載の支持体の一側面と研削により形成された自由振動
部との角部の曲率半径が0.1mm以下であるもので、
小型・高感度でかつ感度ばらつきが小さく並進加速度と
角加速度の両方が検出可能なバイモルフ型圧電素子を提
供する作用を有するものである。
The invention according to claim 9 is the first invention.
The radius of curvature of a corner between one side surface of the support and the free vibration portion formed by grinding is 0.1 mm or less,
The present invention has a function of providing a bimorph type piezoelectric element which is small, has high sensitivity, has small sensitivity variation, and can detect both translational acceleration and angular acceleration.

【0016】また、請求項10に記載の発明は、請求項
1記載の自由振動部は、主表面の面粗度が0.1μm以
下であるもので、出力特性の線形性を良好にする作用を
有するものである。
According to a tenth aspect of the present invention, in the free vibrating portion according to the first aspect, the surface roughness of the main surface is 0.1 μm or less, and the function of improving the linearity of the output characteristics is achieved. It has.

【0017】また、請求項11に記載の発明は、一対の
圧電単結晶板を対面接合により直接接合して自由振動部
シートを形成し、前記自由振動部シートの少なくとも一
方を所定の厚みに研削し、前記研削加工された自由振動
部シートの一方を所定の間隔および深さに研削して自由
振動部と非研削部よりなる支持体を一体に同時形成し、
自由振動部および支持体を形成してなる自由振動部シー
トの主表面に電極を形成し、前記自由振動部シートを前
記自由振動部および支持部を所定の間隔に切断するとと
もに前記支持体を有する主表面の電極を分離するもの
で、高感度でかつ感度ばらつきが小さく並進加速度と角
加速度の両方が検出可能なバイモルフ型圧電素子を安価
に製造できる作用を有するものである。
Further, according to the present invention, a pair of piezoelectric single crystal plates are directly joined by face-to-face joining to form a free vibrating section sheet, and at least one of the free vibrating section sheets is ground to a predetermined thickness. Then, one of the ground free vibration portion sheets is ground to a predetermined interval and depth to simultaneously and simultaneously form a support including a free vibration portion and a non-ground portion,
An electrode is formed on a main surface of a free vibration section sheet formed with a free vibration section and a support, and the free vibration section sheet has the support while cutting the free vibration section and the support section at predetermined intervals. It separates the electrodes on the main surface and has the effect of inexpensively producing a bimorph-type piezoelectric element that is highly sensitive, has small sensitivity variations, and can detect both translational acceleration and angular acceleration.

【0018】また、請求項12に記載の発明は、請求項
11記載の研削加工された自由振動部シートの一方を所
定の間隔および深さに研削して自由振動部と非研削部よ
りなる支持体を一体に同時形成する工程は、支持体主表
面とその少なくとも一つの側面との角部の曲面加工ある
いは面取り加工を研削により同時に行うもので、高感度
でかつ感度ばらつきが小さく並進加速度と角加速度の両
方が検出可能なバイモルフ型圧電素子を安価に製造でき
る作用を有するものである。
According to a twelfth aspect of the present invention, one of the ground free vibration portion sheets according to the eleventh aspect is ground to a predetermined interval and a predetermined depth to support a free vibration portion and a non-ground portion. The step of forming the body integrally at the same time is to simultaneously perform the curved surface processing or the chamfering processing of the corners of the main surface of the support and at least one side thereof by grinding. This has the function of inexpensively manufacturing a bimorph type piezoelectric element capable of detecting both accelerations.

【0019】また、請求項13に記載の発明は、請求項
11記載の支持体主表面とその少なくとも一つの側面と
の角部に形成された前記曲面の曲率半径および面取り量
が支持体厚みの1/4以下であるもので、自由振動部か
らの電極取り出しの容易なバイモルフ型圧電素子を安価
に製造できる作用を有するものである。
According to a thirteenth aspect of the present invention, the curvature radius and the amount of chamfer of the curved surface formed at the corner between the main surface of the support and at least one side surface thereof are determined by the thickness of the support. It is less than 1/4, and has the effect of inexpensively producing a bimorph type piezoelectric element in which electrodes can be easily taken out from the free vibrating section.

【0020】また、請求項14に記載の発明は、請求項
11記載の研削加工された自由振動部シートの一方を所
定の間隔および深さに研削して自由振動部と非研削部よ
りなる支持体を一体に同時形成する工程は、前記支持体
の主表面を同時に研削する支持体主表面に形成する電極
の密着性を向上させる作用を有するものである。
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a support comprising a free vibrating part and a non-grinding part by grinding one of the ground free vibrating part sheets according to the eleventh aspect to a predetermined interval and depth. The step of simultaneously forming the body integrally has an effect of improving the adhesiveness of an electrode formed on the main surface of the support for simultaneously grinding the main surface of the support.

【0021】また、請求項15に記載の発明は、請求項
11記載の研削加工された自由振動部シートの一方を所
定の間隔および深さに研削して自由振動部と非研削部よ
りなる支持体を一体に同時形成する工程と、自由振動部
および支持体を形成してなる自由振動部シートの主表面
に電極を形成する工程との間に、前記自由振動部の研削
面のエッチング工程を含むもので、バイモルフ型圧電素
子の機械強度を向上させる作用を有するものである。
According to a fifteenth aspect of the present invention, one of the ground free vibration portion sheets according to the eleventh aspect is ground to a predetermined interval and depth to support a free vibration portion and a non-ground portion. Between the step of simultaneously forming the body integrally and the step of forming electrodes on the main surface of the free vibration section sheet formed with the free vibration section and the support, the step of etching the ground surface of the free vibration section It has the function of improving the mechanical strength of the bimorph type piezoelectric element.

【0022】また、請求項16に記載の発明は、請求項
11記載のエッチング工程での除去量が、研削砥石の平
均砥粒径の1/2以上であるもので、エッチング時間を
短縮する作用を有するものである。
According to a sixteenth aspect of the present invention, the amount removed in the etching step of the eleventh aspect is not less than の of the average abrasive grain size of the grinding wheel. It has.

【0023】また、請求項17に記載の発明は、請求項
11記載の研削加工された自由振動部シートの一方を所
定の間隔および深さに研削して自由振動部と非研削部よ
りなる支持体を一体に同時形成する工程は、研削用砥石
が少なくとも1枚以上所定の間隔で同軸上に固定された
砥石群からなるもので、加工時間を短縮して安価なバイ
モルフ型圧電素子を提供できる作用を有するものであ
る。
According to a seventeenth aspect of the present invention, one of the ground free vibration portion sheets according to the eleventh aspect is ground to a predetermined interval and depth to support a free vibration portion and a non-ground portion. The step of simultaneously forming the body integrally comprises a group of grinding wheels in which at least one or more grinding wheels are coaxially fixed at a predetermined interval, thereby shortening the processing time and providing an inexpensive bimorph type piezoelectric element. It has an action.

【0024】また、請求項18に記載の発明は、請求項
11記載の自由振動部シートを前記自由振動部および支
持部を所定の間隔に切断する工程は、高速回転する切断
刃により行われるもので、高感度でかつ感度ばらつきが
小さく並進加速度と角加速度の両方が検出可能なバイモ
ルフ型圧電素子を安価に製造できる作用を有するもので
ある。
In the invention according to claim 18, the step of cutting the free vibrating section sheet according to claim 11 at a predetermined interval between the free vibrating section and the supporting section is performed by a cutting blade rotating at high speed. Thus, a bimorph-type piezoelectric element having high sensitivity, small sensitivity variation, and capable of detecting both translational acceleration and angular acceleration can be manufactured at low cost.

【0025】また、請求項19に記載の発明は、請求項
18記載の切断刃は、少なくとも1枚以上所定の間隔で
同軸上に固定された切断刃群からなるもので、高感度で
かつ感度ばらつきが小さく並進加速度と角加速度の両方
が検出可能なバイモルフ型圧電素子を安価に製造できる
作用を有するものである。
According to a nineteenth aspect of the present invention, the cutting blade according to the eighteenth aspect comprises a group of cutting blades coaxially fixed at least one or more at a predetermined interval, and has high sensitivity and high sensitivity. The bimorph type piezoelectric element having a small variation and capable of detecting both the translational acceleration and the angular acceleration can be manufactured at low cost.

【0026】また、請求項20に記載の発明は、請求項
13記載の自由振動部シートを自由振動部および支持部
を所定の間隔に切断する工程は、支持体を有する主表面
の電極を分離する工程がエッチングにより行われるもの
で、高感度でかつ感度ばらつきが小さく並進加速度と角
加速度の両方が検出可能なバイモルフ型圧電素子を安価
に製造できる作用を有するものである。
According to a twentieth aspect of the present invention, in the thirteenth aspect, the step of cutting the free oscillating portion sheet at a predetermined interval between the free oscillating portion and the supporting portion includes separating the electrode on the main surface having the supporting member. This step is performed by etching, and has an effect of inexpensively producing a bimorph type piezoelectric element which has high sensitivity, small sensitivity variation and can detect both translational acceleration and angular acceleration.

【0027】また、請求項21に記載の発明は、請求項
11記載の支持体を有する主表面の電極を分離する工程
はサンドブラストにより行われるもので、高感度でかつ
感度ばらつきが小さく並進加速度と角加速度の両方が検
出可能なバイモルフ型圧電素子を安価に製造できる作用
を有するものである。
According to a twenty-first aspect of the present invention, the step of separating the electrode on the main surface having the support according to the eleventh aspect is performed by sandblasting. The bimorph type piezoelectric element capable of detecting both the angular acceleration can be manufactured at low cost.

【0028】また、請求項22に記載の発明は、請求項
11記載の自由振動部および支持体を形成してなる自由
振動部シートの主表面に電極を形成する工程は、めっき
あるいは蒸着により形成するもので、高感度でかつ感度
ばらつきが小さく並進加速度と角加速度の両方が検出可
能なバイモルフ型圧電素子を安価に製造できる作用を有
するものである。
According to a twenty-second aspect of the present invention, in the eleventh aspect, the step of forming electrodes on the main surface of the free vibrating part sheet comprising the free vibrating part and the support is performed by plating or vapor deposition. Therefore, the bimorph type piezoelectric element having high sensitivity and small sensitivity variation and capable of detecting both translational acceleration and angular acceleration can be manufactured at low cost.

【0029】(実施の形態1)以下、本発明の実施の形
態1におけるバイモルフ型圧電素子について、図面を参
照しながら説明する。
(Embodiment 1) Hereinafter, a bimorph piezoelectric element according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0030】図1(a)は本発明の実施の形態1におけ
るバイモルフ型圧電素子の断面図、同図(b)は同斜視
図である。
FIG. 1A is a sectional view of a bimorph type piezoelectric element according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1B is a perspective view of the same.

【0031】図において、1は2枚のニオブ酸リチウム
(以下、「LN」と記す。)を正分極面同士を接着剤を
介さずに直接接合して設けた矩形板からなる自由振動部
である。ここで直接接合とは、LN単結晶板の構成原子
である酸素基あるいは水酸基の少なくとも一つを介した
接合方法で、LNの表面を平滑かつ清浄に保った状態で
貼り合わせ、加熱することにより接合、一体化するもの
である。この直接接合により2枚のLN単結晶板は完全
に一体化されているが、分極方向が反転する接合面を図
中では点線で示している。この自由振動部1の面粗度
は、1000G以上の衝撃加速度に耐えうるように、R
aで0.1μm以下とするものである。
In the figure, reference numeral 1 denotes a free vibration portion formed of a rectangular plate provided by directly joining two lithium niobate (hereinafter referred to as “LN”) positively polarized surfaces without interposing an adhesive. is there. Here, the direct bonding is a bonding method via at least one of the oxygen group or the hydroxyl group which is a constituent atom of the LN single crystal plate. By bonding and heating the LN surface while keeping the surface thereof smooth and clean, It is joined and integrated. Although the two LN single crystal plates are completely integrated by this direct bonding, the bonding surface where the polarization direction is reversed is indicated by a dotted line in the figure. The surface roughness of the free vibrating portion 1 is set so that it can withstand an impact acceleration of 1000 G or more.
a is set to 0.1 μm or less.

【0032】自由振動部1の一方の主面に、自由振動部
1と接する面と対向する面に溝2を備えた支持体3を一
体に設けている。この支持体3の溝2により分離された
支持体3および自由振動部1の主面には、電極4を備え
ている。
On one main surface of the free vibrating portion 1, a support 3 having a groove 2 on a surface facing a surface in contact with the free vibrating portion 1 is integrally provided. Electrodes 4 are provided on the main surfaces of the support 3 and the free vibrating section 1 separated by the grooves 2 of the support 3.

【0033】この電極4は、加速度検出時に発生する電
荷を取り出すためのもので、加速度が印加されたとき、
支持体3を固定することにより自由振動部1に歪みが生
じ、その歪みに比例した電荷を電極4を介して取り出
し、加速度を検出するものである。この電極4は、下地
のLN単結晶との密着力および電極形成方法により選択
する。スパッタあるいは蒸着法を用いる場合は、Cr/
Au、あるいはTi/Au等が望ましく、無電解めっき
等のめっき法を用いる場合はNi/Au等が望ましい。
The electrode 4 is for taking out the electric charge generated at the time of detecting the acceleration, and when the acceleration is applied,
By fixing the support 3, distortion occurs in the free vibration section 1, and electric charges proportional to the distortion are taken out through the electrode 4 to detect acceleration. The electrode 4 is selected depending on the adhesion to the underlying LN single crystal and the electrode forming method. When sputtering or vapor deposition is used, Cr /
Au, Ti / Au or the like is desirable, and when a plating method such as electroless plating is used, Ni / Au or the like is desirable.

【0034】また、支持体3に形成した電極4は溝2に
より分離されており、自由振動部1の出力を分離して検
出することが可能となっている。したがって、支持体3
を固定することにより、バイモルフ型圧電素子に並進加
速度がかかると自由振動部1からは同符号の出力が得ら
れ、角加速度がかかると異符号の出力が得られ一つのバ
イモルフ型圧電素子で並進加速度と角加速度を分離して
検出可能となる。
The electrodes 4 formed on the support 3 are separated by the grooves 2, so that the output of the free vibrating section 1 can be separated and detected. Therefore, the support 3
Is fixed, when a translational acceleration is applied to the bimorph type piezoelectric element, an output of the same sign is obtained from the free vibration section 1, and when an angular acceleration is applied, an output of the opposite sign is obtained, and the translation is performed by one bimorph type piezoelectric element. Acceleration and angular acceleration can be detected separately.

【0035】本実施の形態では、自由振動部1の厚みを
0.1mm、長さL1およびL2を2.0mm、幅を
0.5mmとし、支持体3の厚みh1を0.4mmとし
た。また、自由振動部1の分極反転界面を境にして直接
接合された2枚のLN単結晶の厚みは、互いに0.05
mmで等しくなるように研削加工して設けたものであ
る。
In this embodiment, the thickness of the free vibrating section 1 is 0.1 mm, the lengths L1 and L2 are 2.0 mm, the width is 0.5 mm, and the thickness h1 of the support 3 is 0.4 mm. Further, the thickness of the two LN single crystals directly joined to each other with the polarization inversion interface of the free vibrating portion 1 being 0.05
It is provided by grinding to be equal in mm.

【0036】以上のように構成されたバイモルフ型圧電
素子の出力電圧であるセンサ感度Sは、圧電定数を
「d」、誘電率を「ε」、質量密度を「ρ」、自由振動
部長さを「L1」、定数を「α」とすると、「S∝d/
ε*ρ*L1*α」となる。この式による圧電定数
「d」と誘電率「ε」はLN単結晶では異方性を有し、
切り出し面により異なる。シミュレーションにより圧電
定数「d」の極大値は130°付近に、誘電率「ε」は
150°付近に極小値を有するため、感度「S」を最大
に設計するためにLN単結晶の切断角度を120°以上
150°以下の回転Y板とした。さらに、分極方向を逆
にして接合することにより温度上昇に伴う自由振動部1
内の電荷の発生を解消し、センサ感度の良好な温度特性
を実現している。
The sensor sensitivity S, which is the output voltage of the bimorph type piezoelectric element configured as described above, is represented by a piezoelectric constant “d”, a dielectric constant “ε”, a mass density “ρ”, and a free vibration portion length. Assuming that “L1” and the constant are “α”, “S∝d /
ε * ρ * L1 * α ”. The piezoelectric constant “d” and the dielectric constant “ε” according to this equation have anisotropy in an LN single crystal,
Depends on the cut surface. According to the simulation, the maximum value of the piezoelectric constant “d” has a minimum value near 130 °, and the dielectric constant “ε” has a minimum value near 150 °. Therefore, in order to design the sensitivity “S” to the maximum, the cutting angle of the LN single crystal must be changed. A rotating Y plate having a rotation angle of 120 ° or more and 150 ° or less was used. Furthermore, the free vibration part 1 accompanying the temperature rise is obtained by joining with the polarization direction reversed.
This eliminates the generation of electric charges in the sensor and realizes good temperature characteristics of sensor sensitivity.

【0037】以上のように本発明は、自由振動部1を接
着剤等を介さずに直接接合によりバイモルフ構成し、支
持体3を構成するための段差をLN矩形板と一体で形成
したこと、また、圧電定数「d」および電気機械結合係
数「k」を最大になるようにLN単結晶板の切り出し面
を選択することにより、圧電セラミックを用いたバイモ
ルフ型圧電素子感度の2〜3倍の6mV/Gの高感度を
得ることができる。
As described above, according to the present invention, the free vibrating portion 1 is bimorph-formed by direct bonding without using an adhesive or the like, and the step for forming the support 3 is formed integrally with the LN rectangular plate. Further, by selecting the cut surface of the LN single crystal plate so as to maximize the piezoelectric constant “d” and the electromechanical coupling coefficient “k”, the sensitivity of the bimorph type piezoelectric element using piezoelectric ceramic is two to three times. High sensitivity of 6 mV / G can be obtained.

【0038】以上のように構成されたバイモルフ型圧電
素子の製造方法について、以下に図面を参照しながら説
明する。
A method of manufacturing the bimorph type piezoelectric element configured as described above will be described below with reference to the drawings.

【0039】図2は本発明の実施の形態1におけるバイ
モルフ型圧電素子の製造方法を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention.

【0040】まず、図2(a)に示すように、表面を非
常に平滑かつ清浄にしたLN単結晶の矩形板を正分極面
を対向させて直接接合して、自由振動部シート11を形
成する。このとき、LN単結晶の矩形板の切断角度は圧
電定数「d」および電気機械結合係数「k」が最大とな
るように120〜150°の回転Y板を用いており、ま
た矩形板のサイズは3インチ以上で、厚みは取り扱いが
比較的容易な0.2mm以上のものを使用した。
First, as shown in FIG. 2A, a rectangular plate of LN single crystal having a very smooth and clean surface is directly joined with its positively polarized surfaces facing each other to form a free vibration portion sheet 11. I do. At this time, the cutting angle of the rectangular plate of the LN single crystal is set to 120 to 150 ° so that the piezoelectric constant “d” and the electromechanical coupling coefficient “k” are maximized. Is 3 inches or more and has a thickness of 0.2 mm or more, which is relatively easy to handle.

【0041】次に、図2(b)に示すように、自由振動
部シート11の一方を、厚さ約0.05mmとなるまで
前面研削する。
Next, as shown in FIG. 2B, one of the free vibrating section sheets 11 is ground to a thickness of about 0.05 mm.

【0042】次に、図2(c)に示すように、前工程で
研磨していない非研削側の自由振動部シート11を、幅
w1の研削用砥石12を用いて全面研削面を基準として
自由振動部シート11の厚みが0.1mmとなるように
溝研削を行い自由振動部1(本図では、図示せず。)と
支持体3(本図では、図示せず。)とを一体に同時形成
する。この時、研削後の一方の自由振動部シート11の
厚みを「t1」、他方の厚みを「t2」とするとセンサ
感度「S」は、自由振動部長さを「L1」、印加加速度
を「g」とすると、前述した「S∝d/ε*ρ*L1*
α」の式から、「S∝(t1×t2)×L12×g/2
(t1+t2)」となり、研削加工した後の自由振動部
シート11の厚み「t1」と「t2」とのバランスがセ
ンサ感度のばらつきに大きく影響することになる。理想
的にはt1=t2が望ましいが、前式から「t2/t
1」の値が0.7〜1.4の範囲でウエハ内のセンサ感
度ばらつきが±5%以内に抑えられることとなる。ま
た、この工程において研削用砥石12を1枚だけ用いる
場合、非研削部である支持体3が所定長さ「w4」とな
るように研削用砥石12の加工時の送り量を決定するこ
と、研削用砥石12の幅「w1」は自由振動部の長さ
「L1」の2倍に設定すると最終切断工程での切断本数
を減らすことが可能であり、また材料を無駄無く使用で
きる低コストな素子形成を可能とする。また、支持体3
の長さを「w4」とすると、研削用砥石12を幅w4≧
w2のスペーサ13を用いて複数枚同軸上に固定するこ
とにより、複数の自由振動部1と支持体3を同時に研削
加工することが可能となり加工時間の短縮による低コス
ト化が可能になる。また、自由振動部1の表面は、素子
寸法や検出加速度の範囲によりエッチングによって加工
ダメージの除去と面粗度の低減を行い、自由振動部の機
械強度を向上させる必要が生じる。LNのエッチング液
としては、フッ酸、あるいはフッ酸と硝酸の混合溶液を
使用し、エッチング温度が高いほど除去率は向上する。
自由振動部1表面の形状は溝研削用砥石12の表面状態
を転写しており、砥粒のボンド材からの突き出し量は平
均砥粒径の30〜50%程度であるため、エッチング除
去量の目安として溝研削用砥石12に使用される平均砥
粒径の1/2以上とし、面粗度はRaで0.1μm以下
とした。エッチング工程を導入することにより自由振動
部は1000G以上の耐衝撃性が得られる。
Next, as shown in FIG. 2 (c), the non-grinding free vibrating portion sheet 11 not polished in the previous step is ground using the grinding wheel 12 having a width w1 with respect to the entire ground surface. Groove grinding is performed so that the thickness of the free vibration portion sheet 11 is 0.1 mm, and the free vibration portion 1 (not shown in this drawing) and the support 3 (not shown in this drawing) are integrated. At the same time. At this time, assuming that the thickness of one free vibration portion sheet 11 after grinding is “t1” and the other thickness is “t2”, the sensor sensitivity “S” is that the length of the free vibration portion is “L1” and the applied acceleration is “g”. , "S∝d / ε * ρ * L1 *
From the equation of α, “S∝ (t1 × t2) × L12 × g / 2
(T1 + t2) ", and the balance between the thicknesses" t1 "and" t2 "of the free vibration portion sheet 11 after the grinding process greatly affects the variation in the sensor sensitivity. Ideally, t1 = t2 is desirable, but from the above expression, “t2 / t
When the value of “1” is in the range of 0.7 to 1.4, the sensor sensitivity variation within the wafer is suppressed to within ± 5%. In the case where only one grinding wheel 12 is used in this step, the feed amount during processing of the grinding wheel 12 is determined so that the support 3 which is a non-grinding portion has a predetermined length “w4”. When the width “w1” of the grinding wheel 12 is set to twice the length “L1” of the free vibrating portion, the number of cuts in the final cutting step can be reduced, and the material can be used without waste and low cost. Enables element formation. Also, the support 3
Assuming that the length of the grinding wheel 12 is “w4”, the grinding wheel 12 has a width w4 ≧
By fixing a plurality of coaxially using the spacers 13 of w2, it is possible to simultaneously grind the plurality of free vibrating portions 1 and the support 3 and to reduce the cost by shortening the machining time. In addition, the surface of the free vibrating portion 1 needs to improve the mechanical strength of the free vibrating portion by removing the processing damage and reducing the surface roughness by etching depending on the element dimensions and the range of the detected acceleration. As an LN etching solution, hydrofluoric acid or a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid is used, and the higher the etching temperature, the higher the removal rate.
The shape of the surface of the free vibrating portion 1 is a transcript of the surface state of the grindstone 12 for groove grinding, and the amount of abrasive particles protruding from the bond material is about 30 to 50% of the average abrasive particle diameter. As a guide, the average abrasive particle size used for the groove grinding wheel 12 is set to 以上 or more, and the surface roughness is set to 0.1 μm or less in Ra. By introducing the etching process, the free vibration portion can have an impact resistance of 1000 G or more.

【0043】次に、図2(d)に示すように、両面を研
削加工した接合済み自由振動部シート11の両面に電圧
出力取り出し用の電極4を全面に形成する。この電極4
の形成方法としては、蒸着法、スパッタ法、めっき法な
どを用い、電極材料としては下地のLNとの密着力と電
極形成方法を考慮して選択する。蒸着あるいはスパッタ
法を適用する場合はTi/Au、Cr/Auが、無電解
めっき等のめっき法を適用する場合Ni/Auの形成は
比較的に容易で望ましい。
Next, as shown in FIG. 2D, electrodes 4 for taking out voltage output are formed on the entire surface of both surfaces of the joined free vibration portion sheet 11 having both surfaces ground. This electrode 4
Is formed by using a vapor deposition method, a sputtering method, a plating method, or the like, and the electrode material is selected in consideration of the adhesion to the underlying LN and the electrode forming method. When a vapor deposition or sputtering method is applied, Ti / Au and Cr / Au are formed, and when a plating method such as electroless plating is applied, Ni / Au is formed relatively easily and is desirable.

【0044】最後に、図2(e)に示すように、切断ブ
レード14を用いて両面研削加工済みの自由振動部シー
ト11を所定の大きさに切断するとともに、溝2を形成
して、図2(f)に示すバイモルフ型圧電振動子を形成
する。この時、複数枚の切断ブレード14を用いると素
子の切断と支持体3と電極4の分離を同時に複数行列加
工することが可能であり低コストとなる。この場合、直
径が「r1」と「r2」との異なるブレード14を複数
枚使用し、r1>r2とすると直径「r1」のブレード
を素子切断用に使用し、直径「r2」のブレードを支持
体3上の電極4の分離に使用する。切断ブレード14は
素子の切断サイズあるいは支持体3の電極分離のピッチ
に合うように調整したスペーサ13(本図では、図示せ
ず。)により同軸上に複数枚固定したものを用いる。な
お、本工程は支持体3の電極分離方法としては以上の切
断刃を用いる方法以外にフォトリソ等によりパターニン
グを行いエッチングやサンドブラストで分離する方法で
も良い。本製造方法を3インチのウエハで行えば、1ウ
エハあたり約1500個の加速度センサ用バイモルフ型
圧電素子を一括形成することが可能となり、低コストで
できる。
Finally, as shown in FIG. 2 (e), the free vibration portion sheet 11 which has been double-side ground is cut into a predetermined size using a cutting blade 14, and the groove 2 is formed. A bimorph type piezoelectric vibrator shown in FIG. 2 (f) is formed. At this time, if a plurality of cutting blades 14 are used, it is possible to simultaneously process a plurality of rows for cutting the element and separating the support 3 and the electrode 4, resulting in low cost. In this case, a plurality of blades 14 having different diameters “r1” and “r2” are used, and if r1> r2, the blade having the diameter “r1” is used for element cutting and the blade having the diameter “r2” is supported. Used to separate electrode 4 on body 3. A plurality of cutting blades 14 are coaxially fixed by spacers 13 (not shown in this drawing) adjusted to match the cutting size of the element or the pitch of electrode separation of the support 3. In this step, as a method of separating the electrodes of the support 3, a method of patterning by photolithography or the like and separating by etching or sandblasting may be used other than the method using the cutting blade. If this manufacturing method is performed on a 3-inch wafer, it is possible to collectively form about 1500 bimorph type piezoelectric elements for an acceleration sensor per wafer, thereby reducing the cost.

【0045】(実施の形態2)以下、本発明の実施の形
態2におけるバイモルフ型圧電素子について、図面を参
照しながら説明する。
(Embodiment 2) Hereinafter, a bimorph type piezoelectric element according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0046】図3(a)は本発明の実施の形態2におけ
るバイモルフ型圧電素子の断面図、同図(b)は同斜視
図である。ここで、本実施の形態の図3と実施の形態1
の図1との相違する点は、支持部を面取り加工した点で
あり、同一構成要件は同一符号を付し説明を省略する。
FIG. 3A is a sectional view of a bimorph type piezoelectric element according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 3B is a perspective view of the same. Here, FIG. 3 of the present embodiment and the first embodiment
1 is that the support portion is chamfered, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

【0047】図において、21は面取部で、自由振動部
1の一方の主面に設けた支持部3の溝2に設けたもので
ある。この面取部21は、支持部3の厚み「h1」の1
/4以下とすることにより、支持体3の主表面と自由振
動部1の主表面とを分離せずに電極4が形成可能となる
ものである。
In the figure, reference numeral 21 denotes a chamfered portion, which is provided in the groove 2 of the support portion 3 provided on one main surface of the free vibration portion 1. The chamfered portion 21 has a thickness “h1” of the support portion 3 of 1
By setting / 4 or less, the electrode 4 can be formed without separating the main surface of the support 3 and the main surface of the free vibrating section 1.

【0048】以上のように構成されたバイモルフ型圧電
素子の製造方法について、図面を参照しながら説明す
る。
A method for manufacturing the bimorph type piezoelectric element configured as described above will be described with reference to the drawings.

【0049】図4は本発明の実施の形態2におけるバイ
モルフ型圧電素子の製造方法を説明する図である。ここ
で、本実施の形態の図2と実施の形態1との相違する点
は、支持部を形成する工程に、同時に面取り加工した点
であり、同一構成要件は同一符号を付し説明を省略す
る。
FIG. 4 is a view for explaining a method of manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention. Here, the difference between FIG. 2 of the present embodiment and the first embodiment is that the step of forming the support portion is chamfered at the same time, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. I do.

【0050】つまり、前工程で研磨していない非研削側
の自由振動部シート11を幅w1の研削用砥石12を用
いて全面研削面を基準として自由振動部シート11の厚
みが0.1mmとなるように溝研削を行い自由振動部1
(本図では、図示せず。)と支持体3(本図では、図示
せず。)とを一体に同時形成する。この時、用いる研削
用砥石12の形状を図4に示すように、面取部21を形
成するための砥石面取部22を備えたものを用いること
により、形成するものである。
That is, the free vibrating portion sheet 11 on the non-grinding side which has not been polished in the previous step is formed by using a grinding wheel 12 having a width w1 so that the free vibrating portion sheet 11 has a thickness of 0.1 mm with respect to the entire ground surface. Groove grinding so that free vibration part 1
The support 3 (not shown in this drawing) and the support 3 (not shown in this drawing) are integrally formed simultaneously. At this time, as shown in FIG. 4, the shape of the grinding wheel 12 to be used is formed by using a wheel provided with a grinding wheel chamfered portion 22 for forming the chamfered portion 21.

【0051】なお、本実施の形態では面取部21をテー
パー状に設けたが、図5に示すように、磁石面取部22
に丸みを持たせて、図6に示すような丸みを有する磁石
面取部22としても良い。
In the present embodiment, the chamfered portion 21 is provided in a tapered shape. However, as shown in FIG.
The magnet chamfer 22 may have a round shape as shown in FIG.

【0052】(実施の形態3)以下、本発明の実施の形
態3におけるバイモルフ型圧電素子について、図面を参
照しながら説明する。
(Embodiment 3) Hereinafter, a bimorph type piezoelectric element according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0053】図7(a)は本発明の実施の形態3におけ
るバイモルフ型圧電素子の断面図、同図(b)は同斜視
図である。ここで、本実施の形態の図7と実施の形態2
の図6との相違する点は、支持部を面取り加工した点で
あり、同一構成要件は同一符号を付し説明を省略する。
FIG. 7A is a sectional view of a bimorph type piezoelectric element according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 7B is a perspective view of the same. Here, FIG. 7 of this embodiment and Embodiment 2
6 is different from FIG. 6 in that the support portion is chamfered, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

【0054】図において、21は面取部で、自由振動部
1の一方の主面に設けた支持部3の溝2に設けたもので
ある。この面取部21は、支持部3の厚み「h1」の1
/4以下とすることにより、支持体3の主表面と自由振
動部1の主表面とを分離せずに電極4が形成可能となる
ものである。また、自由振動部1と支持部3との接触面
に、接触面面取部31を備えるものである。
In the drawing, reference numeral 21 denotes a chamfer, which is provided in the groove 2 of the support 3 provided on one main surface of the free vibrating section 1. The chamfered portion 21 has a thickness “h1” of the support portion 3 of 1
By setting / 4 or less, the electrode 4 can be formed without separating the main surface of the support 3 and the main surface of the free vibrating section 1. Further, a contact chamfer 31 is provided on the contact surface between the free vibrating portion 1 and the support portion 3.

【0055】以上のように構成されたバイモルフ型圧電
素子の製造方法について、図面を参照しながら説明す
る。
A method for manufacturing the bimorph type piezoelectric element configured as described above will be described with reference to the drawings.

【0056】図8は本発明の実施の形態3におけるバイ
モルフ型圧電素子の製造方法を説明する図である。ここ
で、本実施の形態の図8と実施の形態2の図2との相違
する点は、支持部を形成する工程に、同時に面取りをす
るとともに自由振動部と支持部との接触面も面取り加工
した点であり、同一構成要件は同一符号を付し説明を省
略する。
FIG. 8 is a view for explaining a method of manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention. Here, the difference between FIG. 8 of the present embodiment and FIG. 2 of the second embodiment is that, in the process of forming the support portion, chamfering is performed simultaneously and the contact surface between the free vibration portion and the support portion is also chamfered. This is a point that has been processed, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

【0057】つまり、前工程で研磨していない非研削側
の自由振動部シート11を、幅w1の研削用砥石12を
用いて全面研削面を基準として自由振動部シート11の
厚みが0.1mmとなるように溝研削を行い自由振動部
1(本図では、図示せず。)と支持体3(本図では、図
示せず。)とを一体に同時形成する。この時、用いる研
削用砥石12の形状を図8に示すように、面取部21を
形成するための砥石面取部22と接触面面取部32を備
えたものを用いることにより、形成するものである。
That is, the free vibrating portion sheet 11 on the non-grinding side, which has not been polished in the previous step, has a thickness of 0.1 mm with respect to the entire ground surface using the grinding wheel 12 having a width w1. The free vibration portion 1 (not shown in this drawing) and the support 3 (not shown in this drawing) are simultaneously formed integrally by performing groove grinding so that At this time, as shown in FIG. 8, the shape of the grinding wheel 12 to be used is formed by using a wheel provided with a grinding wheel chamfer 22 and a contact surface chamfer 32 for forming the chamfer 21. Things.

【0058】(実施の形態4)以下、本発明の実施の形
態4におけるバイモルフ型圧電素子の製造方法につい
て、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 4) Hereinafter, a method for manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0059】図9は本発明の実施の形態3におけるバイ
モルフ型圧電素子の製造方法を説明する図である。
FIG. 9 is a view for explaining a method of manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention.

【0060】まず、図9(a)に示すように、表面を非
常に平滑かつ清浄にしたLN単結晶の矩形板を正分極面
を対向させて直接接合して、自由振動部シート11を形
成する。このとき、LN単結晶の矩形板の切断角度は圧
電定数「d」および電気機械結合係数「k」が最大とな
るように120°以上150°以下の回転Y板を用いて
おり、また矩形板のサイズは3インチ以上で、厚みは取
り扱いが比較的容易な0.2mm以上のものを使用し
た。
First, as shown in FIG. 9A, a free vibration portion sheet 11 is formed by directly bonding LN single crystal rectangular plates whose surfaces are very smooth and clean with their positively polarized surfaces facing each other. I do. At this time, the cut angle of the rectangular plate of the LN single crystal is a rotating Y plate of 120 ° or more and 150 ° or less so that the piezoelectric constant “d” and the electromechanical coupling coefficient “k” are maximized. Was 3 inches or more in thickness and 0.2 mm or more in thickness, which was relatively easy to handle.

【0061】次に、図9(b)に示すように、自由振動
部シート11の一方を、厚さ約0.05mmとなるまで
全面研削する。
Next, as shown in FIG. 9B, one side of the free vibration portion sheet 11 is entirely ground to a thickness of about 0.05 mm.

【0062】次に、図9(c)に示すように、非研削側
の自由振動部シート11を研削用砥石41を用いて全面
研削面を基準として自由振動部シート11の厚みが0.
1mmとなるように溝研削を行い、自由振動部1と支持
体3とを一体に同時形成する。この時、研削用砥石41
の先端に加工されている溝深さ「D6」を支持体厚み
「h1」より数〜数10μm小さくすることにより自由
振動部シート11、支持体3を同時形成時に支持体主表
面を研削加工することができる。支持体3の主表面は鏡
面加工されているため電極膜の密着力が低いため、研削
加工により表面の面粗度を大きくすることにより電極膜
の信頼性向上が図れる。また、研削後の一方の自由振動
部シート11の厚みを「t1」、他方の自由振動部シー
ト11の厚みを「t2」、自由振動部長さを「L1」、
印加加速度を「g」とすると、センサ感度Sは、「セン
サ感度S∝(t1×t2)×L12×g/2(t1+t
2)」で表されるため、研削加工した後の自由振動部シ
ート11の厚み「t1」と「t2」のバランスがセンサ
感度のばらつきに大きく影響することになる。理想的に
はt1=t2が望ましい。この場合、「t2/t1」の
値が0.7以上1.4以下の範囲でウエハ内のセンサ感
度ばらつきが±5%以内に抑えられる。研削用砥石41
の幅「w」は自由振動部の長さ「L1」の2倍に設定す
ると最終切断工程での切断本数を減らすことが可能であ
り、また材料を無駄無く使用できる低コストな素子形成
を可能とする。研削加工により形成した自由振動部の表
面は加工ダメージが存在し、面粗度が大きくなる。その
ため、印加加速度が大きくなると自由振動部に割れ、欠
けが発生しやすくなる。素子寸法や検出加速度の範囲に
よりエッチングによって加工ダメージの除去と面粗度の
低減を行い、自由振動部の機械強度を向上させる必要が
生じる。LNのエッチング液としては、フッ酸、あるい
はフッ酸と硝酸の混合溶液を使用し、エッチング温度が
高いほど除去率は向上する。自由振動部表面の形状は溝
研削用砥石41の表面状態を転写しており、砥粒のボン
ド材からの突き出し量は平均砥粒径の30〜50%程度
であるため、エッチング除去量の目安として溝研削用砥
石41に使用される平均砥粒径の1/2以上とし、面粗
度は「Ra」で0.1μm以下とした。エッチング工程
を導入することにより自由振動部は1000G以上の耐
衝撃性が得られた。
Next, as shown in FIG. 9C, the free vibrating section sheet 11 on the non-grinding side is ground by using a grinding wheel 41 so that the free vibrating section sheet 11 has a thickness of 0.
The groove is ground to 1 mm, and the free vibrating section 1 and the support 3 are formed simultaneously and integrally. At this time, the grinding wheel 41
When the free vibration portion sheet 11 and the support 3 are simultaneously formed, the main surface of the support is ground by making the groove depth “D6” processed at the tip of the substrate smaller by several to several tens μm than the thickness “h1” of the support. be able to. Since the main surface of the support 3 is mirror-finished, the adhesion of the electrode film is low. Therefore, the reliability of the electrode film can be improved by increasing the surface roughness by grinding. Further, the thickness of one free vibration portion sheet 11 after grinding is “t1”, the thickness of the other free vibration portion sheet 11 is “t2”, and the free vibration portion length is “L1”.
Assuming that the applied acceleration is “g”, the sensor sensitivity S is “sensor sensitivity S∝ (t1 × t2) × L12 × g / 2 (t1 + t)
2)], the balance between the thicknesses “t1” and “t2” of the free vibration portion sheet 11 after the grinding process greatly affects the variation in sensor sensitivity. Ideally, t1 = t2 is desirable. In this case, when the value of “t2 / t1” is in the range of 0.7 or more and 1.4 or less, the sensor sensitivity variation in the wafer is suppressed to within ± 5%. Grinding wheel 41
By setting the width “w” to twice the length “L1” of the free vibrating part, it is possible to reduce the number of cuts in the final cutting step, and it is possible to form a low-cost element that can use materials without waste. And The surface of the free vibrating portion formed by the grinding process has processing damage, and the surface roughness increases. For this reason, when the applied acceleration increases, the free vibrating portion is easily cracked and chipped. It is necessary to improve the mechanical strength of the free vibrating portion by removing the processing damage and reducing the surface roughness by etching depending on the range of the element dimensions and the detected acceleration. As an LN etching solution, hydrofluoric acid or a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid is used, and the higher the etching temperature, the higher the removal rate. The shape of the surface of the free vibrating portion is a transfer of the surface state of the grindstone 41, and the amount of the abrasive particles protruding from the bonding material is about 30 to 50% of the average abrasive particle diameter. The average grain size used for the groove grinding grindstone 41 was 以上 or more, and the surface roughness was “Ra” of 0.1 μm or less. By introducing the etching step, the free vibration portion was able to obtain an impact resistance of 1000 G or more.

【0063】次に、図9(d)に示すように、両面を研
削加工した接合済み自由振動部シート11の両面に電圧
出力取り出し用の電極4を全面に形成する。電極形成方
法としては、蒸着法、スパッタ法、めっき法などを用
い、電極材料としては下地のLNとの密着力と電極形成
方法を考慮して選択する。蒸着あるいはスパッタ法を適
用する場合はTi/Au、Cr/Auが、無電解めっき
等のめっき法を適用する場合Ni/Auの形成が比較的
容易で望ましい。
Next, as shown in FIG. 9D, electrodes 4 for taking out voltage output are formed on both surfaces of the joined free vibration portion sheet 11 having both surfaces ground. As an electrode forming method, a vapor deposition method, a sputtering method, a plating method, or the like is used, and an electrode material is selected in consideration of the adhesion to the underlying LN and the electrode forming method. When a vapor deposition or sputtering method is applied, Ti / Au and Cr / Au are preferably formed, and when a plating method such as electroless plating is applied, Ni / Au is relatively easily formed.

【0064】最後に、図9(e)に示すように、切断ブ
レード14を用いて両面研削加工済みの自由振動部シー
ト11を所定の大きさに切断するとともに、溝2を形成
して、図9(f)に示すバイモルフ型圧電振動子を形成
する。この時、複数枚の切断ブレード14を用いると素
子の切断と支持体3と電極4の分離を同時に複数行列加
工することが可能であり低コストとなる。この場合、直
径が「r1」と「r2」との異なるブレード14を複数
枚使用し、r1>r2とすると直径「r1」のブレード
を素子切断用に使用し、直径「r2」のブレードを支持
体3上の電極4の分離に使用する。切断ブレード14は
素子の切断サイズあるいは支持体3の電極分離のピッチ
に合うように調整したスペーサ13(本図では、図示せ
ず。)により同軸上に複数枚固定したものを用いる。な
お、本工程は支持体3の電極分離方法としては以上の切
断刃を用いる方法以外にフォトリソ等によりパターニン
グを行いエッチングやサンドブラストで分離する方法で
も良い。本製造方法を3インチのウエハで行えば、1ウ
エハあたり約1500個の加速度センサ用バイモルフ型
圧電素子を一括形成することが可能となり、低コストで
できる。
Finally, as shown in FIG. 9 (e), the free vibration portion sheet 11, which has been subjected to double-side grinding, is cut into a predetermined size using a cutting blade 14, and a groove 2 is formed. A bimorph type piezoelectric vibrator shown in FIG. 9F is formed. At this time, if a plurality of cutting blades 14 are used, it is possible to simultaneously process a plurality of rows for cutting the element and separating the support 3 and the electrode 4, resulting in low cost. In this case, a plurality of blades 14 having different diameters “r1” and “r2” are used, and if r1> r2, the blade having the diameter “r1” is used for element cutting and the blade having the diameter “r2” is supported. Used to separate electrode 4 on body 3. A plurality of cutting blades 14 are coaxially fixed by spacers 13 (not shown in this drawing) adjusted to match the cutting size of the element or the pitch of electrode separation of the support 3. In this step, as a method of separating the electrodes of the support 3, a method of patterning by photolithography or the like and separating by etching or sandblasting may be used other than the method using the cutting blade. If this manufacturing method is performed on a 3-inch wafer, it is possible to collectively form about 1500 bimorph type piezoelectric elements for an acceleration sensor per wafer, thereby reducing the cost.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上のように本発明は、小型・高感度で
感度ばらつきが小さくかつ並進加速度および角加速度が
同時検出可能なバイモルフ型圧電素子とその製造方法を
提供できる。
As described above, the present invention can provide a bimorph type piezoelectric element which is small, has high sensitivity, has small sensitivity variation, and can simultaneously detect translational acceleration and angular acceleration, and a method of manufacturing the same.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)本発明の実施の形態1におけるバイモル
フ型圧電素子の断面図 (b)同斜視図
FIG. 1A is a sectional view of a bimorph piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention. FIG.

【図2】同製造方法を説明する図FIG. 2 is a diagram illustrating the manufacturing method.

【図3】(a)本発明の実施の形態2におけるバイモル
フ型圧電素子の断面図 (b)同斜視図
3A is a sectional view of a bimorph type piezoelectric element according to a second embodiment of the present invention. FIG.

【図4】本発明の実施の形態2におけるバイモルフ型圧
電素子の製造方法を説明する図
FIG. 4 is a diagram illustrating a method for manufacturing a bimorph piezoelectric element according to Embodiment 2 of the present invention.

【図5】本発明の他の実施の形態2におけるバイモルフ
型圧電素子の製造方法を説明する図
FIG. 5 is a diagram illustrating a method of manufacturing a bimorph piezoelectric element according to another embodiment 2 of the present invention.

【図6】本発明の他の実施の形態2におけるバイモルフ
型圧電素子の製造方法を説明する図
FIG. 6 is a diagram illustrating a method for manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to another embodiment 2 of the present invention.

【図7】(a)本発明の実施の形態3におけるバイモル
フ型圧電素子の断面図 (b)同斜視図
7A is a sectional view of a bimorph type piezoelectric element according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 7B is a perspective view of the same.

【図8】本発明の実施の形態3におけるバイモルフ型圧
電素子の製造方法を説明する図
FIG. 8 is a diagram illustrating a method of manufacturing a bimorph piezoelectric element according to Embodiment 3 of the present invention.

【図9】本発明の実施の形態3におけるバイモルフ型圧
電素子の製造方法を説明する図
FIG. 9 is a diagram illustrating a method for manufacturing a bimorph piezoelectric element according to Embodiment 3 of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 自由振動部 2 溝 3 支持体 4 電極 11 自由振動部シート DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Free vibration part 2 Groove 3 Support 4 Electrode 11 Free vibration part sheet

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 幸治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 田路 基幸 京都府京田辺市大住浜55−12 松下日東電 器株式会社内 Fターム(参考) 2G064 AA12 AB01 AB02 AB08 BA02 BA03 BD18 BD27 BD42 BD56 DD32  ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Koji Nomura 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F term in the company (reference) 2G064 AA12 AB01 AB02 AB08 BA02 BA03 BD18 BD27 BD42 BD56 DD32

Claims (22)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一対の圧電板を対面接合して設けられた
自由振動部と、この一方の自由振動部に一体に設けられ
前記自由振動部と接する面と対向する面に溝を備えた支
持体と、この支持体および前記自由振動部に前記溝によ
り分離された電極を備えたバイモルフ型圧電素子。
A support having a free vibration portion provided by joining a pair of piezoelectric plates face to face, and a groove provided on a surface opposite to a surface provided integrally with the one free vibration portion and in contact with the free vibration portion. A bimorph type piezoelectric element comprising a body, an electrode separated by the groove in the support and the free vibrating portion.
【請求項2】 支持体を有さない主表面の電極は、連続
して共通である請求項1記載のバイモルフ型圧電素子。
2. The bimorph type piezoelectric element according to claim 1, wherein the electrode on the main surface having no support is continuous and common.
【請求項3】 自由振動部は、ニオブ酸リチウム単結晶
からなり、対向する主面が120°以上150°以下の
回転Y板切り出し面である請求項1記載のバイモルフ型
圧電素子。
3. The bimorph-type piezoelectric element according to claim 1, wherein the free vibrating portion is made of a single crystal of lithium niobate, and a main surface facing the cut surface is a cutout surface of a rotating Y plate of 120 ° or more and 150 ° or less.
【請求項4】 自由振動部は、対向主面が正分極面であ
る請求項1記載のバイモルフ型圧電素子。
4. The bimorph type piezoelectric element according to claim 1, wherein the free vibration portion has a main surface facing the positive polarization surface.
【請求項5】 電極は、Cr/Au、Ti/Au、ある
いはNi/Auのいずれかである請求項1記載のバイモ
ルフ型圧電素子。
5. The bimorph type piezoelectric element according to claim 1, wherein the electrode is one of Cr / Au, Ti / Au, and Ni / Au.
【請求項6】 自由振動部は、対面接合された一対の圧
電板の一方の厚みをt1、他方の厚みをt2とすると、
t2/t1が0.7以上1.4以下である請求項1記載
のバイモルフ型圧電素子。
6. The free vibrating portion, wherein one thickness of a pair of face-to-face joined piezoelectric plates is t1 and the other thickness is t2.
2. The bimorph type piezoelectric element according to claim 1, wherein t2 / t1 is 0.7 or more and 1.4 or less.
【請求項7】 支持体は、主表面と少なくともその一側
面との角部が曲面あるいは面取りされている請求項1記
載のバイモルフ型圧電素子。
7. The bimorph type piezoelectric element according to claim 1, wherein a corner of the main surface and at least one side surface of the support is curved or chamfered.
【請求項8】 曲面または面取りされた支持体は、曲率
半径および面取り量が前記支持体厚みの1/4以下であ
る請求項7記載のバイモルフ型圧電素子。
8. The bimorph-type piezoelectric element according to claim 7, wherein the curved or chamfered support has a radius of curvature and a chamfer of not more than 4 of the thickness of the support.
【請求項9】 支持体の一側面と研削により形成された
自由振動部との角部の曲率半径が0.1mm以下である
請求項1記載のバイモルフ型圧電素子。
9. The bimorph type piezoelectric element according to claim 1, wherein a radius of curvature of a corner between one side surface of the support and the free vibration portion formed by grinding is 0.1 mm or less.
【請求項10】 自由振動部は、主表面の面粗度が0.
1μm以下である請求項1記載のバイモルフ型圧電素
子。
10. The free vibration portion has a main surface having a surface roughness of 0.5.
The bimorph type piezoelectric element according to claim 1, wherein the thickness is 1 µm or less.
【請求項11】 一対の圧電単結晶板を対面接合により
直接接合して自由振動部シートを形成し、前記自由振動
部シートの少なくとも一方を所定の厚みに研削し、前記
研削加工された自由振動部シートの一方を所定の間隔お
よび深さに研削して自由振動部と非研削部よりなる支持
体を一体に同時形成し、自由振動部および支持体を形成
してなる自由振動部シートの主表面に電極を形成し、前
記自由振動部シートを前記自由振動部および支持部を所
定の間隔に切断するとともに前記支持体を有する主表面
の電極を分離するバイモルフ型圧電素子の製造方法。
11. A free vibration portion sheet is formed by directly bonding a pair of piezoelectric single crystal plates by face-to-face bonding, and at least one of the free vibration portion sheets is ground to a predetermined thickness, and the ground free vibration is processed. One of the sheets of the free vibration section is formed by grinding one of the sheets at predetermined intervals and depths to simultaneously and simultaneously form a support comprising a free vibration section and a non-grinding section. A method for manufacturing a bimorph type piezoelectric element, wherein an electrode is formed on a surface, the free vibration section sheet is cut at a predetermined interval between the free vibration section and the support section, and an electrode on a main surface having the support is separated.
【請求項12】 研削加工された自由振動部シートの一
方を所定の間隔および深さに研削して自由振動部と非研
削部よりなる支持体を一体に同時形成する工程は、支持
体主表面とその少なくとも一つの側面との角部の曲面加
工あるいは面取り加工を研削により同時に行う請求項1
1記載のバイモルフ型圧電素子の製造方法。
12. A step of grinding one of the ground free vibration portion sheets to a predetermined interval and depth to simultaneously and simultaneously form a support consisting of a free vibration portion and a non-grinding portion, the step comprising: 2. A curved surface processing or a chamfering process of a corner portion between the substrate and at least one side surface thereof is simultaneously performed by grinding.
2. The method for producing a bimorph type piezoelectric element according to 1.
【請求項13】 支持体主表面とその少なくとも一つの
側面との角部に形成された前記曲面の曲率半径および面
取り量が支持体厚みの1/4以下である請求項11記載
のバイモルフ型圧電素子の製造方法。
13. The bimorph-type piezoelectric element according to claim 11, wherein the radius of curvature and the amount of chamfer of the curved surface formed at the corner between the main surface of the support and at least one side thereof are not more than 1 / of the thickness of the support. Device manufacturing method.
【請求項14】 研削加工された自由振動部シートの一
方を所定の間隔および深さに研削して自由振動部と非研
削部よりなる支持体を一体に同時形成する工程は、前記
支持体の主表面を同時に研削する請求項11記載のバイ
モルフ型圧電素子の製造方法。
14. The step of grinding one of the ground free vibration portion sheets to a predetermined interval and depth to simultaneously and simultaneously form a support made of a free vibration portion and a non-ground portion, The method for manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to claim 11, wherein the main surfaces are simultaneously ground.
【請求項15】 研削加工された自由振動部シートの一
方を所定の間隔および深さに研削して自由振動部と非研
削部よりなる支持体を一体に同時形成する工程と、自由
振動部および支持体を形成してなる自由振動部シートの
主表面に電極を形成する工程との間に、前記自由振動部
の研削面のエッチング工程を含む請求項11記載のバイ
モルフ型圧電素子の製造方法。
15. A step of grinding one of the ground free vibrating section sheets to a predetermined interval and depth to simultaneously and simultaneously form a support comprising a free vibrating section and a non-grinding section; 12. The method for manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to claim 11, further comprising an etching step of a ground surface of the free vibration section between the step of forming an electrode on the main surface of the free vibration section sheet on which the support is formed.
【請求項16】 エッチング工程での除去量が、研削砥
石の平均砥粒径の1/2以上である請求項11記載のバ
イモルフ型圧電素子の製造方法。
16. The method for producing a bimorph type piezoelectric element according to claim 11, wherein the amount removed in the etching step is at least の of the average abrasive grain size of the grinding wheel.
【請求項17】 研削加工された自由振動部シートの一
方を所定の間隔および深さに研削して自由振動部と非研
削部よりなる支持体を一体に同時形成する工程は、研削
用砥石が少なくとも1枚以上所定の間隔で同軸上に固定
された砥石群からなる請求項11記載のバイモルフ型圧
電素子の製造方法。
17. A step of grinding one of the ground free-vibration section sheets to a predetermined interval and depth to simultaneously simultaneously form a support including a free-vibration section and a non-grinding section includes the steps of: 12. The method for manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to claim 11, comprising at least one or more grindstones coaxially fixed at predetermined intervals.
【請求項18】 自由振動部シートを前記自由振動部お
よび支持部を所定の間隔に切断する工程は、高速回転す
る切断刃により行われる請求項11記載のバイモルフ型
圧電素子の製造方法。
18. The method for manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to claim 11, wherein the step of cutting the free vibrating section sheet at a predetermined interval between the free vibrating section and the supporting section is performed by a cutting blade rotating at a high speed.
【請求項19】 切断刃は、少なくとも1枚以上所定の
間隔で同軸上に固定された切断刃群からなる請求項18
記載のバイモルフ型圧電素子の製造方法。
19. The cutting blade comprises a group of cutting blades coaxially fixed at least one or more at predetermined intervals.
A method for producing the bimorph piezoelectric element according to the above.
【請求項20】 自由振動部シートを前記自由振動部お
よび支持部を所定の間隔に切断する工程は、支持体を有
する主表面の電極を分離する工程がエッチングにより行
われる請求項13記載のバイモルフ型圧電素子の製造方
法。
20. The bimorph according to claim 13, wherein the step of cutting the free vibrating section sheet at a predetermined interval between the free vibrating section and the supporting section is performed by etching the electrode on the main surface having the supporting body. Of manufacturing a piezoelectric element.
【請求項21】 支持体を有する主表面の電極を分離す
る工程はサンドブラストにより行われる請求項11記載
のバイモルフ型圧電素子の製造方法。
21. The method according to claim 11, wherein the step of separating the electrode on the main surface having the support is performed by sandblasting.
【請求項22】 自由振動部および支持体を形成してな
る自由振動部シートの主表面に電極を形成する工程は、
めっきあるいは蒸着により形成する請求項11記載のバ
イモルフ型圧電素子の製造方法。
22. A step of forming an electrode on a main surface of a free vibration section sheet having a free vibration section and a support formed thereon,
The method for manufacturing a bimorph type piezoelectric element according to claim 11, wherein the method is formed by plating or vapor deposition.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005116825A (en) * 2003-10-08 2005-04-28 Sony Corp Piezoelectric element and manufacturing method therefor
JP2008286521A (en) * 2007-05-15 2008-11-27 Epson Toyocom Corp Rotational speed detecting unit, and rotational speed sensor

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