JP2002162227A - Piezoelectric vibrator, piezoelectric vibration gyro using the same and manufacturing method of the piezoelectric vibrator - Google Patents

Piezoelectric vibrator, piezoelectric vibration gyro using the same and manufacturing method of the piezoelectric vibrator

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JP2002162227A
JP2002162227A JP2000357258A JP2000357258A JP2002162227A JP 2002162227 A JP2002162227 A JP 2002162227A JP 2000357258 A JP2000357258 A JP 2000357258A JP 2000357258 A JP2000357258 A JP 2000357258A JP 2002162227 A JP2002162227 A JP 2002162227A
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piezoelectric
vibrator
film
elastic metal
composition
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JP2000357258A
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Jiro Terada
二郎 寺田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a piezoelectric body film and perform non-adhesion by pressurization, heating and composition in the thickness direction of the outer face of a vibrator. SOLUTION: The piezoelectric body film is directly formed on the surface of the drive part 1 of the vibrator 3 and the surface of a detection part 2 by the pressurization, heating and composition.

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】この発明は圧電振動子とそれ
を用いた圧電振動ジャイロと圧電振動子の製造方法に関
する。
The present invention relates to a piezoelectric vibrator, a piezoelectric vibrating gyroscope using the same, and a method for manufacturing a piezoelectric vibrator.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電振動ジャイロは近年高感度で小型か
つ安価な製品の開発が進み自動車用のナビゲーションシ
ステムやビデオカメラの手ぶれ防止装置の一般民生用と
して広く利用されている。これら圧電振動ジャイロは、
圧電素子自体を振動子とすることができる。
2. Description of the Related Art In recent years, piezoelectric vibrating gyroscopes have been developed with high sensitivity, small size and inexpensive products, and are widely used as general-purpose products for navigation systems for automobiles and camera shake preventing devices for video cameras. These piezoelectric vibrating gyros are
The piezoelectric element itself can be a vibrator.

【0003】しかし圧電素子は振動の内部減衰が大き
く、振動の検出感度が低くなると言う欠点がある。従っ
て、この圧電振動ジャイロは振動の内部減衰が小さく
(すなわち機械的共振先鋭度Qmが大きい)、かつ弾性
の温度係数が小さい恒弾性金属を振動子に用いる場合が
多い。なお、圧電振動ジャイロには振動の形状として音
叉型と音片型に分類される。また振動モードによっても
共振型と非共振型に分類される。
[0003] However, the piezoelectric element has a disadvantage that the internal attenuation of vibration is large and the sensitivity of detecting vibration is low. Therefore, in many cases, the piezoelectric vibrating gyroscope uses a constant elastic metal having a small internal coefficient of vibration (that is, a large mechanical resonance sharpness Qm) and a small elastic temperature coefficient for the vibrator. Note that the piezoelectric vibrating gyroscope is classified into a tuning fork type and a vibrating piece type as vibration shapes. Further, it is classified into a resonance type and a non-resonance type depending on the vibration mode.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記圧電振
動ジャイロはこれを利用する装置全体のサイズを小さく
するため以外にも、共振周波数を高くしてかつ応答性を
向上させるためにも、振動子をできるだけ小型化するこ
とが要請されている。
The piezoelectric vibrating gyroscope is used not only to reduce the size of the whole device using the piezoelectric vibrating gyroscope but also to increase the resonance frequency and improve the response. Is required to be as small as possible.

【0005】特に共振型の圧電振動ジャイロの場合、共
振周波数の機械的共振先鋭度Qmを高めることにより感
度は向上するがこの共振周波数が高く、逆に感度を低下
させると言う欠点が生じるため振動子の小型化による感
度と応答性の向上が要請されている。
In particular, in the case of a resonance type piezoelectric vibrating gyroscope, the sensitivity is improved by increasing the mechanical resonance sharpness Qm of the resonance frequency. However, this resonance frequency is high, and conversely, the sensitivity is lowered. Improvements in sensitivity and responsiveness due to miniaturization of the element have been demanded.

【0006】しかしながら、高感度を必要とする圧電振
動ジャイロの場合、振動子に恒弾性金属を用い振動子の
駆動および検出面に圧電定数の大きい圧電体素子を接着
剤により接合することにより実現可能としている。
However, a piezoelectric vibrating gyroscope that requires high sensitivity can be realized by using a constant elastic metal for the vibrator and bonding a piezoelectric element having a large piezoelectric constant to the driving and detecting surfaces of the vibrator with an adhesive. And

【0007】このため、従来の圧電振動ジャイロでは、
振動子が小型になるほど圧電素子を接着する工程の作業
性が悪くなり、圧電素子を所定位置に正確に貼り付ける
ことが困難になるので、この振動子の小型化が制限され
るという課題があった。
For this reason, in the conventional piezoelectric vibrating gyroscope,
As the vibrator becomes smaller, the workability of the step of bonding the piezoelectric element becomes worse, and it becomes difficult to accurately attach the piezoelectric element to a predetermined position. Was.

【0008】また、圧電素子はエポキシ樹脂や紫外線硬
化型接着剤等のポリマーの接着剤を用いて振動子の上面
又は側面に接合されるので、圧電素子の駆動振動を振動
子に伝える場合や振動子の歪みを検出用圧電素子に伝え
る時にこれらの変位が接着剤層によって振動の減衰が生
じて感度が低下するという問題もあった。
Further, since the piezoelectric element is bonded to the upper surface or the side surface of the vibrator using a polymer adhesive such as an epoxy resin or an ultraviolet curable adhesive, the vibration of the piezoelectric element is transmitted to the vibrator or When the distortion of the transducer is transmitted to the piezoelectric element for detection, there is also a problem that these displacements cause attenuation of the vibration by the adhesive layer, thereby lowering the sensitivity.

【0009】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、直接、振動子の表面に圧電素子の組成を傾斜的
に形成することにより、接着剤層による感度の低下を防
止すると共に、接合部の歪みの緩和、応力集中分散、膜
の剥離強度向上、微小部分の駆動部または検出部の小型
化を可能にする圧電振動子を提供することを目的として
いる。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and by directly forming the composition of a piezoelectric element on the surface of a vibrator with a gradient, it is possible to prevent a decrease in sensitivity due to an adhesive layer and to perform bonding. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric vibrator capable of alleviating distortion of a part, dispersing stress concentration, improving peel strength of a film, and miniaturizing a driving part or a detecting part of a minute part.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】そしてこの目的を達成す
るために本発明は、弾性金属からなる振動子の外面に、
振動子と圧電体の組成に連続的に傾斜させて圧電体膜を
形成したものである。上記、弾性金属からなる振動子の
表面に圧電性の組成が振動子の組成から連続した傾斜的
に変化する圧電体膜を成膜することによって、板状の圧
電素子を接着剤で弾性金属の振動子に接合する必要がな
くなるので、この圧電素子の振動を振動子に伝える場合
や振動子の歪みを圧電素子に伝える際に接着層による振
動減衰をなくすことができる。
Means for Solving the Problems In order to achieve this object, the present invention provides a vibrator made of an elastic metal,
The piezoelectric film is formed by continuously tilting the composition of the vibrator and the piezoelectric material. By forming a piezoelectric film in which the piezoelectric composition continuously and gradually changes from the composition of the vibrator on the surface of the vibrator made of the elastic metal, the plate-like piezoelectric element is formed of the elastic metal with an adhesive. Since there is no need to join the piezoelectric element to the vibrator, it is possible to eliminate vibration attenuation due to the adhesive layer when transmitting the vibration of the piezoelectric element to the vibrator or transmitting the distortion of the vibrator to the piezoelectric element.

【0011】また、振動子の表面に直接圧電体膜を設け
るので、小型の振動子の複雑微小な形状面にも容易に圧
電素子を形成することができるようになる。さらに、こ
の成膜工程では大量のバッチ処理が可能となる。しかも
圧電体膜の厚みを厚くすることも可能である。
Further, since the piezoelectric film is provided directly on the surface of the vibrator, the piezoelectric element can be easily formed even on a complicated and minute shaped surface of a small vibrator. Furthermore, a large amount of batch processing is possible in this film forming process. In addition, the thickness of the piezoelectric film can be increased.

【0012】また本発明の他の発明は、弾性金属からな
る振動子の外面に、振動子と圧電体の組成が連続的に傾
斜する圧電体膜を加圧加熱合成により成膜するものであ
る。
According to another aspect of the present invention, a piezoelectric film in which the compositions of the vibrator and the piezoelectric material are continuously inclined is formed on the outer surface of the vibrator made of an elastic metal by pressurizing and heating. .

【0013】この方法は圧電体の基となる出発原料溶液
中に振動子を投入し10気圧以下、200℃以下で加圧
加熱合成することにより振動子の表面に直接圧電体膜を
成膜することができる。またこの加圧加熱合成により、
小型の振動子の複雑微小な面に容易に圧電体膜が形成可
能となる。
According to this method, a vibrator is put into a starting material solution which is a base of a piezoelectric body, and is heated and synthesized at a pressure of 10 atm or less and 200 ° C. or less to form a piezoelectric film directly on the surface of the vibrator. be able to. In addition, by this pressure heating synthesis,
A piezoelectric film can be easily formed on a complicated and minute surface of a small vibrator.

【0014】また本発明の他の発明は、弾性金属が恒弾
性金属であることを特徴とするものであり、恒弾性金属
に圧電体膜を形成させることにより温度変化による影響
を最低限に抑えることができる。即ち温度変化によって
部材の共振周波数の変化や振動させるための外的エネル
ギーに対する振動振幅量の温度変化を抑えることができ
る。そのため温度依存特性に優れた振動や角速度を検出
する力学量検出装置を構成することができるものであ
る。
Further, another invention of the present invention is characterized in that the elastic metal is a constant elastic metal, and the influence of a temperature change is minimized by forming a piezoelectric film on the constant elastic metal. be able to. That is, it is possible to suppress a change in the resonance frequency of the member due to the temperature change and a change in the temperature of the vibration amplitude with respect to external energy for vibrating. Therefore, it is possible to configure a physical quantity detection device that detects vibration and angular velocity excellent in temperature-dependent characteristics.

【0015】また本発明の他の発明は、前記圧電体膜の
少なくともPbO,ZnO,Nb25,TiO2,Zr
2を含有したことを特徴とするもので、これら成分を
含有した振動子は恒弾性金属上に強固な圧電性の成膜が
でき、接着剤を不要にできる。このため、振動子を大振
幅で駆動しても、周波数と振幅依存性に関する線形特性
が優れた圧電振動子を得ることができる。
In another aspect of the present invention, at least PbO, ZnO, Nb 2 O 5 , TiO 2 , Zr
It is characterized by containing O 2 , and a vibrator containing these components can form a strong piezoelectric film on a constant elastic metal and can eliminate the need for an adhesive. Therefore, even if the vibrator is driven with a large amplitude, it is possible to obtain a piezoelectric vibrator having excellent linear characteristics with respect to frequency and amplitude dependency.

【0016】また本発明の他の発明は、前記圧電振動子
を圧電振動ジャイロとして用いたもので、駆動面の圧電
素子に共振周波数の電気的信号を印加し振動を与えると
共にこの振動方向に直交する方向のコリオリの力を検出
面の圧電体膜で検出することにより、大振幅駆動で角速
度検出が可能となる。このため、高感度の圧電ジャイロ
として用いることができる。
According to another aspect of the present invention, the piezoelectric vibrator is used as a piezoelectric vibrating gyroscope. The piezoelectric vibrator applies an electric signal of a resonance frequency to a piezoelectric element on a driving surface to apply vibration and orthogonally intersects the vibration direction. Detecting the Coriolis force in the direction of movement by the piezoelectric film on the detection surface makes it possible to detect angular velocity with large amplitude drive. For this reason, it can be used as a highly sensitive piezoelectric gyro.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】図1は、駆動部1と検出部2を分離した振
動子3を用いた面内駆動型の圧電振動ジャイロを示して
いる。振動子3は弾性の温度係数が小さい恒弾性金属と
して金属チタン板を用いた。振動子3は支持部4を有
し、この支持部4は板状を成し、取付孔5部分で振動子
3を圧電振動ジャイロの台座等に固定するようになって
いる。
FIG. 1 shows an in-plane drive type piezoelectric vibrating gyroscope using a vibrator 3 in which a driving unit 1 and a detecting unit 2 are separated. The vibrator 3 used a metal titanium plate as a constant elastic metal having a small elastic temperature coefficient. The vibrator 3 has a support portion 4, which has a plate-like shape, and the vibrator 3 is fixed to a pedestal or the like of the piezoelectric vibrating gyroscope at a mounting hole 5.

【0019】駆動部1は音叉先端に付加質量6を設け、
検出部2を両側から挟み込む2組の音叉で構成されてい
る。なお図1の7は付加質量、8は電極である。
The driving unit 1 has an additional mass 6 at the tip of the tuning fork.
It is composed of two sets of tuning forks sandwiching the detection unit 2 from both sides. In FIG. 1, 7 is an additional mass, and 8 is an electrode.

【0020】上記振動子3の駆動部1表面には駆動用圧
電素子が形成され、検出部2表面には検出用発電素子が
形成されている。これらの両圧電素子はいずれも加圧加
熱合成によって振動子3の表面に直接成膜した圧電体膜
によって構成されている。なお圧電体膜は駆動部1表面
と検出部2表面上にのみパターン形成し、付加質量6、
7には設けなくてもよい。圧電体膜の出発原料は市販の
化学試薬級のPb(NO32(99.5%)、ZnCl
2(99.5%)、NbCl5(99.5%)、TiCl
4(99.8%)、ZrOCl2(99.5%)、KOH
(99.5%)と基部となる金属チタン(99.9%)
の板を使用した。また、Pb(NO32およびZrOC
2は濃度1Nの水溶液を作製した。またZnCl2、N
bCl5も1Nの水溶液を作製し、以下のようにして調
整した。周囲を水で冷却し1000mlのビーカに蒸留
水で作った氷を入れその中にTiCl4またはNbCl5
を少量ずつ滴下し冷却しながら1Nの水溶液を作製し
た。正確な水溶液の濃度はアンモニア水の添加で水酸化
物のゲル沈殿物を乾燥させた後、空気中で温度1273
Kに加熱した後TiO2の重量を測定して求めた。次に
加圧加熱合成を行うための混合水溶液は(表1)に示す
組成となるように各組成の水溶液を秤量して作製した。
A driving piezoelectric element is formed on the surface of the driving section 1 of the vibrator 3, and a power generating element for detection is formed on the surface of the detecting section 2. Both of these piezoelectric elements are composed of a piezoelectric film directly formed on the surface of the vibrator 3 by synthesis under pressure and heat. The piezoelectric film is formed only on the surface of the drive unit 1 and the surface of the detection unit 2 by patterning.
7 need not be provided. The starting materials for the piezoelectric film are commercially available chemical reagent grade Pb (NO 3 ) 2 (99.5%), ZnCl 2
2 (99.5%), NbCl 5 (99.5%), TiCl
4 (99.8%), ZrOCl 2 (99.5%), KOH
(99.5%) and the base metal titanium (99.9%)
No plate was used. Pb (NO 3 ) 2 and ZrOC
For l 2, an aqueous solution having a concentration of 1N was prepared. ZnCl 2 , N
bCl 5 was also prepared as a 1N aqueous solution and adjusted as follows. Cool the surroundings with water, put ice made of distilled water into a 1000 ml beaker, and put TiCl 4 or NbCl 5 in it.
Was added dropwise little by little, and a 1N aqueous solution was prepared while cooling. The exact concentration of the aqueous solution can be determined by drying the gel precipitate of hydroxide with the addition of aqueous ammonia and then in air at 1273 ° C.
After heating to K, the weight of TiO 2 was measured and determined. Next, a mixed aqueous solution for performing heating under pressure was prepared by weighing aqueous solutions of each composition so as to have the composition shown in (Table 1).

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】次に図2に示すオートクレーブの内装用容
器9内にこの水溶液10を注入した。内装用の容器9の
形状とサイズは内直径28cm×内高さ38cm×肉厚
み15mmの円筒状とした。オートクレーブの容器9を
保持する外容器11はステンレスSUS304で構成し
たものを用いた。試料基板12は長さ25cm×幅3.
5cm×厚み0.2mmの金属チタン板からなり、図2
に示すホルダー13で保持し、前記水溶液10を入れた
容器9に挿入する。次にこの容器9を容器11内に挿入
する。これらの加圧加熱合成の様子を図3に参考として
フローチャートを示す。次にこのオートクレーブの容器
11をオーブンに入れ、温度413Kで16時間密閉加
熱した。加圧は密閉された容器9中では温度の関数に従
って数気圧に加圧される。以下圧電体膜の組成をPZN
TZと呼ぶこととする。
Next, this aqueous solution 10 was poured into the interior container 9 of the autoclave shown in FIG. The shape and size of the interior container 9 were cylindrical with an inner diameter of 28 cm, an inner height of 38 cm, and a wall thickness of 15 mm. The outer container 11 for holding the autoclave container 9 was made of stainless steel SUS304. The sample substrate 12 has a length of 25 cm and a width of 3.
It consists of a 5cm x 0.2mm thick metal titanium plate.
, And inserted into the container 9 containing the aqueous solution 10. Next, the container 9 is inserted into the container 11. FIG. 3 is a flow chart showing the state of the pressurized heating synthesis. Next, the container 11 of the autoclave was placed in an oven and heated at a temperature of 413 K for 16 hours. The pressurization is carried out in the closed container 9 to several atmospheres according to a function of the temperature. Hereinafter, the composition of the piezoelectric film is PZN
It is called TZ.

【0023】これにより金属チタン板上にPZNTZの
結晶核を生成させる。この時オートクレーブは15rp
mで回転させた。金属チタン板上に形成した結晶核をさ
らに成長させるために第2回目の加圧加熱合成を行っ
た。第2回目の加圧加熱合成は第1回目とほぼ同様の方
法にて行った。
As a result, crystal nuclei of PZNTZ are generated on the titanium metal plate. At this time, the autoclave is
m. A second pressurized heating synthesis was performed to further grow the crystal nuclei formed on the metal titanium plate. The second pressurized heating synthesis was performed in substantially the same manner as the first press synthesis.

【0024】すでに準備された水溶液10を容器9に入
れる。続いて第1回目の加圧加熱合成した金属チタン板
をホルダー13で保持したものを容器9内に挿入し、こ
れを容器11内に挿入した。次にこの容器11をオーブ
ンに入れ温度393Kで16時間密閉した状態で加圧加
熱し金属チタン板上にPZNTZの結晶核を成長させ
る。
The already prepared aqueous solution 10 is put in the container 9. Subsequently, the first pressurized and heat-synthesized metal titanium plate held by the holder 13 was inserted into the container 9, and this was inserted into the container 11. Next, the container 11 is placed in an oven and heated under pressure in a state of being sealed at a temperature of 393 K for 16 hours to grow a crystal nucleus of PZNTZ on the titanium metal plate.

【0025】このとき第1回目の加圧加熱合成と同様に
オートクレーブは15rpmで回転させた。連続して複
数回の加圧加熱合成を行う時は以降この方法による条件
でオーブン内の合成温度とKOHの濃度を固定して試料
を作製した。
At this time, the autoclave was rotated at 15 rpm similarly to the first pressurized heating synthesis. When a plurality of pressurized heating syntheses were continuously performed, a sample was prepared by fixing the synthesis temperature and the KOH concentration in the oven under the conditions according to this method.

【0026】次に、前記にて作製した試料の駆動部1と
検出部2の主面にAu電極を付与し、図4に示すユニモ
ルフ駆動構造の振動ジャイロの振動子とした。
Next, an Au electrode was applied to the main surface of the driving unit 1 and the detecting unit 2 of the sample prepared as described above, thereby obtaining a vibrator of a vibrating gyroscope having a unimorph driving structure shown in FIG.

【0027】図4の振動子3の外形の大きさは縦長20
mm×幅13.33mm×厚み0.2mmである。材質
としてTiを用いているが、他の恒弾性金属を用いても
可能であるがTi金属以外であればTiを下地にコート
すれば尚良好な結果が得られる。
The size of the outer shape of the vibrator 3 shown in FIG.
mm × width 13.33 mm × thickness 0.2 mm. Although Ti is used as the material, it is possible to use another constant elastic metal. However, if it is other than Ti metal, better results can be obtained by coating Ti as a base.

【0028】駆動部1に設けられた付加質量6はジャイ
ロ機能を生じさせるための重量部で、コリオリ力と共振
周波数を調整させるために活用されている。また検出部
2はこのジャイロ素子が駆動している時に角速度を与え
角速度情報を検出する。検出部2近傍に設けた付加質量
7は検出部2の共振周波数調整と共振モードを安定化さ
せるためのものである。
The additional mass 6 provided in the driving section 1 is a weight section for generating a gyro function, and is utilized for adjusting the Coriolis force and the resonance frequency. The detector 2 gives an angular velocity when the gyro element is driven and detects angular velocity information. The additional mass 7 provided in the vicinity of the detection unit 2 is for adjusting the resonance frequency of the detection unit 2 and stabilizing the resonance mode.

【0029】図4は成膜回数と膜の厚みとの関係を示
す。成膜条件は(表2)に示す組成を反応温度393K
−16hの条件で第2回目、3回目の加圧加熱合成を行
った。1回当たりの成膜において、約3.5μmの薄膜
が得られ、3回の成膜で約11.5μmの膜厚が得られ
た。ほぼ成膜回数に比例している。必要に応じて成膜回
数を行うことにより、目標の厚みにすることが容易であ
ることを示唆している。
FIG. 4 shows the relationship between the number of times of film formation and the thickness of the film. The film formation conditions were such that the composition shown in Table 2 was used at a reaction temperature of 393K.
The second and third pressurized heating synthesis was performed under the condition of −16 h. In one film formation, a thin film of about 3.5 μm was obtained, and in three times, a film thickness of about 11.5 μm was obtained. It is almost proportional to the number of film formation. It indicates that it is easy to achieve the target thickness by performing the number of film formations as necessary.

【0030】[0030]

【表2】 [Table 2]

【0031】図5は加圧加熱合成により成膜したPZN
TZ膜の結晶核14aおよび結晶成長14bのプロセス
の模式図を示す。加圧加熱合成によるプロセスにおいて
ジルコニウム、亜鉛、ニオブ、鉛イオンを含む水溶液を
弾性体である金属チタン板14と反応させ、その表面に
PZNTZの結晶核を生成させ、さらにこの表面上に複
数回加圧加熱合成を行い結晶核の上にPZNTZ結晶を
更に成長させる。
FIG. 5 shows a PZN film formed by pressure and heat synthesis.
A schematic diagram of the process of the crystal nuclei 14a and the crystal growth 14b of the TZ film is shown. In a process by pressure and heat synthesis, an aqueous solution containing zirconium, zinc, niobium, and lead ions is reacted with the metal titanium plate 14, which is an elastic body, to generate PZNTZ crystal nuclei on the surface thereof, and is further applied several times on this surface. A PZNTZ crystal is further grown on the crystal nucleus by performing pressure heating synthesis.

【0032】この2つの加圧加熱合成を行うことによ
り、金属チタン板14上に付着力の強い実用性の高い圧
電体膜を形成させることが可能である。金属チタン板1
4の界面には加圧加熱合成の反応による膜が形成されて
いる(単なる圧電体膜の接着ではない)。
By performing the two pressurized heating syntheses, it is possible to form a highly practical piezoelectric film having a strong adhesive force on the metal titanium plate 14. Metallic titanium plate 1
At the interface of No. 4, a film is formed by the reaction of pressurized heating synthesis (not just adhesion of a piezoelectric film).

【0033】また、秤量組成は(表2)および(表3)
を用い、3回の加圧加熱合成を行った。尚、第1回目の
加圧加熱合成(図5の(a))の反応温度が413K−1
6h、第2、3回目(図5の(b))の反応温度393K
−16hで結晶成長させ試料を行った。結晶粒子径は約
2μm程度、膜の平均厚さは約11.5μm程度であっ
た。
The weighed compositions are shown in (Table 2) and (Table 3)
, And three times of heating under pressure. The reaction temperature of the first pressurized heating synthesis (FIG. 5A) was 413K-1.
6h, second and third reaction temperature (393K in FIG. 5)
Crystals were grown at -16 h, and samples were obtained. The crystal particle diameter was about 2 μm, and the average thickness of the film was about 11.5 μm.

【0034】図6はPZNTZ薄膜厚み方向の組成成分
の分布分析をオージェ電子分光法により解析した結果を
示す。PZNTZ薄膜と金属チタンの界面付近には組成
分布があり、Pb成分の極大およびZr成分の極小を示
しているが組成成分として、連続的に傾斜させて圧電体
膜の膜形成がなされている様子がわかる。
FIG. 6 shows the result of analyzing the distribution of the composition components in the thickness direction of the PZNTZ thin film by Auger electron spectroscopy. There is a composition distribution near the interface between the PZNTZ thin film and the titanium metal, indicating a maximum of the Pb component and a minimum of the Zr component. As the composition component, the piezoelectric film is formed by being continuously inclined. I understand.

【0035】また、図7は大振幅駆動させた時の振幅の
様子を示したものである。(a)は加圧加熱合成により
作製した圧電ジャイロの振動子からなる音叉部である。
この音叉部の最大振幅が各25μmと2.5μmとなる
印加電圧をあらかじめ決め、印加した時の入力周波数と
振動振幅を示すものである。
FIG. 7 shows the state of the amplitude when the large amplitude drive is performed. (A) is a tuning fork portion composed of a vibrator of a piezoelectric gyro manufactured by pressurized heating synthesis.
The applied voltage at which the maximum amplitude of the tuning fork becomes 25 μm and 2.5 μm is determined in advance, and the input frequency and the vibration amplitude when applied are shown.

【0036】音叉(a)は音叉の共振点前後の周波数に
対して振動振幅が共振点を境にして比較的対称であるこ
とがわかる。これに対して焼結法で作製した同じ組成の
厚み50μmの圧電セラミックス素子を従来法によるエ
ポキシ系レジンを介して接着接合して構成した音叉
(b)の振幅特性とを比較する。音叉(b)の最大振幅
は音叉(a)と同じとなるように印加電圧を調整する。
音叉(b)と音叉(a)とを同じ最大振幅となる条件で
比較すると音叉(b)より音叉(a)の方が若干ではあ
るが、共振周波数特性の対称性に優れていることがわか
る。
It can be seen that the vibration amplitude of the tuning fork (a) is relatively symmetric with respect to the frequencies around the resonance point of the tuning fork with the resonance point as a boundary. On the other hand, the amplitude characteristics of a tuning fork (b) formed by bonding a piezoelectric ceramic element having the same composition and having a thickness of 50 μm manufactured by the sintering method via an epoxy resin according to a conventional method are compared. The applied voltage is adjusted so that the maximum amplitude of the tuning fork (b) is the same as that of the tuning fork (a).
When the tuning fork (b) and the tuning fork (a) are compared under the same maximum amplitude condition, it can be seen that the tuning fork (a) is slightly better than the tuning fork (b), but is superior in the symmetry of the resonance frequency characteristic. .

【0037】加圧加熱合成膜の音叉(a)の方が線形動
作に優れている1つの理由は接着接合を用いないことが
挙げられる。即ち、接着による接合剤を介して得られる
アクチュエータ(図7の(b))は、金属チタン板上に加
圧加熱合成によって得られたPZNTZ膜(図7の
(a))などと比較すると、基板と圧電体の接合部分の接
着剤が介在することによる低弾性体の影響と考えること
ができる。
One reason that the tuning fork (a) of the pressurized and heated synthetic film is superior in linear operation is that adhesive bonding is not used. That is, the actuator (FIG. 7 (b)) obtained through the bonding agent by bonding is a PZNTZ film (FIG. 7) obtained by pressurizing and heating synthesis on a metal titanium plate.
Compared with (a)) and the like, it can be considered that the influence of the low elastic body due to the interposition of the adhesive at the joint between the substrate and the piezoelectric body.

【0038】従って、大振幅で音叉振動をさせた時、接
着接合を使用しない加圧加熱合成の方が接合部の振動振
幅による共振周波数の低下現象がなく、線形動作特性に
優れている。
Therefore, when the tuning fork is vibrated at a large amplitude, the pressurized heating synthesis without using the adhesive bonding does not cause the phenomenon of lowering the resonance frequency due to the vibration amplitude of the bonding portion, and is excellent in linear operation characteristics.

【0039】以上説明したように、本実施形態の圧電振
動ジャイロによれば、圧電体膜によって構成される圧電
素子が振動子3の駆動部1表面と検出部2表面に直接形
成されるので、接着層の振動減衰による感度の低下を防
止することができる。
As described above, according to the piezoelectric vibrating gyroscope of the present embodiment, the piezoelectric element constituted by the piezoelectric film is formed directly on the surface of the driving unit 1 and the surface of the detecting unit 2 of the vibrator 3. A decrease in sensitivity due to vibration damping of the adhesive layer can be prevented.

【0040】また、大振幅駆動が可能であるので大振幅
による高感度化が期待できる。さらに、また、加圧加熱
合成法によって圧電性が形成されるので、小型の振動子
の複雑微小な形状の駆動面や検出面にも容易に圧電素子
を形成することができ、圧電体膜の膜厚も十分に厚くす
ることができる。
Further, since large-amplitude driving is possible, high sensitivity can be expected by large-amplitude. Further, since the piezoelectricity is formed by the pressurized heating synthesis method, the piezoelectric element can be easily formed on the drive surface or the detection surface of a small vibrator having a complicated and minute shape. The film thickness can be made sufficiently thick.

【0041】加圧加熱合成法による成膜工程では、大量
のバッチ処理が可能となり、この成膜工程を2段階に分
けることにより、圧電体膜を振動子3の表面に強固に付
着させることができる。
In the film forming process by the pressurized heating synthesis method, a large amount of batch processing is possible. By dividing the film forming process into two stages, the piezoelectric film can be firmly adhered to the surface of the vibrator 3. it can.

【0042】しかも、本実施形態では駆動部1と検出部
2を分離した形状の振動子3を用いるので、駆動用圧電
素子の振動による駆動部1自体の歪みが検出部2にあま
り影響せず、検出部2に不要なノイズが発生し、S/N
比が低下するのを防止することができる。
Further, in the present embodiment, since the vibrator 3 having a shape in which the driving unit 1 and the detecting unit 2 are separated is used, the distortion of the driving unit 1 itself due to the vibration of the driving piezoelectric element does not affect the detecting unit 2 so much. , Unnecessary noise is generated in the detection unit 2 and S / N
The ratio can be prevented from lowering.

【0043】尚、この実施の形態では、振動子3として
エリンバ合金を用いたが他の恒弾性金属を用いてもよ
く、恒弾性金属以外の弾性金属、弾性材を用いることも
可能である。また本実施形態では、圧電素子を構成する
圧電体膜としてPZTを用いたが、圧電性を有する圧電
体膜であれば他の組成のものであってもよい。
In this embodiment, the vibrator 3 is made of an Elinvar alloy. However, another constant elastic metal may be used, and an elastic metal or an elastic material other than the constant elastic metal may be used. Further, in this embodiment, PZT is used as the piezoelectric film constituting the piezoelectric element, but any other composition may be used as long as the film has piezoelectricity.

【0044】さらに、この実施形態では、音片型の振動
子3形状としたが、四角柱音片型形状やその他三角柱形
状や円柱状または円筒形状の任意の形状とすることもで
きる。また、本発明は音片に限らず、振動子を弾性金属
で形成する音叉型にも実施することが可能であり、共振
型と非共振型のいずれであってもよい。
Furthermore, in this embodiment, the vibrator 3 is of the resonating piece type. However, the vibrating element may have any shape of a quadrangular prism, a triangular prism, a cylinder or a cylinder. In addition, the present invention is not limited to the resonating piece, and can be implemented in a tuning fork type in which the vibrator is formed of an elastic metal.

【0045】あるいはまた、この実施形態では音叉圧電
振動子について説明したが振動ジャイロの用途に用いる
圧電振動子であっても同様に実施可能であり、駆動用圧
電素子のみを形成した圧電振動子でも同様である。
In this embodiment, the tuning fork piezoelectric vibrator has been described. However, the present invention can be similarly applied to a piezoelectric vibrator used for a vibrating gyroscope. The same is true.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、連続的に圧電組成を傾斜させて成膜することに
より圧電振動子と振動子との間の接着層による振動減衰
を回避することができる。そしてこの様に圧電組成を傾
斜させて成膜すると、圧電素子の振動が効率良く振動子
に伝播し、振動子に発生した歪振動は圧電素子で高感度
に検出することができるようになる。さらに大振幅駆動
が可能となるため大振幅駆動化による高感度が期待でき
る。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the vibration damping due to the adhesive layer between the piezoelectric vibrators is avoided by forming the film with the piezoelectric composition being continuously inclined. can do. When the film is formed with the piezoelectric composition inclined in this manner, the vibration of the piezoelectric element is efficiently propagated to the vibrator, and the strain vibration generated in the vibrator can be detected with high sensitivity by the piezoelectric element. Further, since large-amplitude driving becomes possible, high sensitivity can be expected by large-amplitude driving.

【0047】また、小型の振動子の複雑微小な形状の面
にも容易に圧電素子を形成することができるので、振動
子の小型化を可能とし応答性を向上させるだけでなく、
圧電振動ジャイロとして用いる場合に駆動面の圧電素子
の歪みが検出面の圧電素子に直接影響を与えないような
形状にして検出時のS/N比を高めることができるよう
になる。
Further, since the piezoelectric element can be easily formed on the surface of a small vibrator having a complicated and minute shape, not only can the vibrator be miniaturized and the responsiveness improved,
When used as a piezoelectric vibrating gyroscope, the S / N ratio at the time of detection can be increased by making the shape such that distortion of the piezoelectric element on the drive surface does not directly affect the piezoelectric element on the detection surface.

【0048】さらに圧電体膜の成膜工程では大量のバッ
チ処理が可能となるので、組み立て工程に比べ、品質を
容易に均一化することができる。
Further, since a large number of batch processes can be performed in the piezoelectric film forming process, the quality can be easily made uniform as compared with the assembling process.

【0049】しかも、本発明の加圧加熱合成による成膜
では他の薄膜形成法に比べて、膜厚みの厚い圧電体膜を
形成することが容易になる。またPZNTZの組成を用
いることにより圧電素子としての十分な性能を発揮する
ことだけでなく、圧電体膜の振動子に対する付着力を高
めて圧電素子の剥離をなくすことが可能となる。
In addition, in the film formation by the pressurized heating synthesis of the present invention, it becomes easier to form a piezoelectric film having a larger film thickness than other thin film forming methods. In addition, by using the composition of PZNTZ, not only the sufficient performance as a piezoelectric element can be exhibited, but also the peeling of the piezoelectric element can be eliminated by increasing the adhesion of the piezoelectric film to the vibrator.

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

【図1】本発明の一実施形態の圧電振動ジャイロの斜視
FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention.

【図2】オートクレーブの構造を示す断面図FIG. 2 is a sectional view showing the structure of an autoclave.

【図3】加圧加熱合成のフローチャートFIG. 3 is a flow chart of pressure heating synthesis.

【図4】成膜回数と膜厚みとの関係図FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the number of film formations and the film thickness.

【図5】(a)(b)はそれぞれ結晶成長プロセスの模
式図
FIGS. 5A and 5B are schematic diagrams of a crystal growth process, respectively.

【図6】圧電体膜の厚み方向の成分分布図FIG. 6 is a component distribution diagram in a thickness direction of a piezoelectric film.

【図7】(a)(b)はそれぞれ大振幅振動させた時の
圧電体膜の振幅特性図
FIGS. 7A and 7B are amplitude characteristic diagrams of a piezoelectric film when vibrating with a large amplitude, respectively.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 駆動部 2 検出部 3 振動子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Drive part 2 Detection part 3 Transducer

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03H 3/02 H01L 41/08 U 9/17 41/18 101D 41/22 Z Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H03H 3/02 H01L 41/08 U 9/17 41/18 101D 41/22 Z

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 弾性金属からなる振動子の外面の厚み方
向に、振動子と圧電体の組成が連続的に傾斜した圧電体
膜を有することを特徴とする圧電振動子。
1. A piezoelectric vibrator having a piezoelectric film in which the composition of the vibrator and the piezoelectric material is continuously inclined in the thickness direction of the outer surface of the vibrator made of an elastic metal.
【請求項2】 弾性金属が恒弾性金属であることを特徴
とする請求項1に記載の圧電振動子。
2. The piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein the elastic metal is a constant elastic metal.
【請求項3】 圧電体膜は少なくともPbO,ZnO,
Nb25,TiO2,ZrO2を含有したことを特徴とす
る請求項1または2に記載の圧電振動子。
3. The piezoelectric film comprises at least PbO, ZnO,
The piezoelectric vibrator according to claim 1, further comprising Nb 2 O 5 , TiO 2 , or ZrO 2 .
【請求項4】 請求項1〜3のいずれか一つに記載の圧
電振動子を用いた圧電振動ジャイロ。
4. A piezoelectric vibrating gyroscope using the piezoelectric vibrator according to claim 1.
【請求項5】 弾性金属からなる振動子の外面の厚み方
向に、振動子と圧電体の組成が連続的に傾斜した圧電体
膜を加圧加熱合成により形成することを特徴とする圧電
振動子の製造方法。
5. A piezoelectric vibrator characterized in that a piezoelectric film in which the composition of the vibrator and the piezoelectric body is continuously inclined is formed by pressurizing and heating synthesis in the thickness direction of the outer surface of the vibrator made of an elastic metal. Manufacturing method.
【請求項6】 弾性金属が恒弾性金属であることを特徴
とする請求項5に記載の圧電振動子の製造方法。
6. The method according to claim 5, wherein the elastic metal is a constant elastic metal.
【請求項7】 圧電体膜は少なくともPbO,ZnO,
Nb25,TiO2,ZrO2を含有したことを特徴とす
る請求項5、または6に記載の圧電振動子の製造方法。
7. The piezoelectric film comprises at least PbO, ZnO,
7. The method according to claim 5 , further comprising Nb 2 O 5 , TiO 2 , or ZrO 2 .
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006266969A (en) * 2005-03-25 2006-10-05 Nec Tokin Corp Tuning fork type piezo-electric oscillating gyroscope
JP2008270514A (en) * 2007-04-20 2008-11-06 Hitachi Cable Ltd Piezoelectric thin-film element
JP2015053504A (en) * 2014-10-28 2015-03-19 セイコーエプソン株式会社 Piezoelectric element, liquid injection head, and liquid injection apparatus

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