JP2010078500A - 慣性センサ - Google Patents

Abstract

【課題】製造プロセスが容易で、超小型化が可能な多軸の加速度センサないしは角速度センサを提供する。
【解決手段】基板１と、基板１上方に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極の順に積層される積層構造を有する平板状の重錘４と、重錘４の内部の切り欠き部５に形成され、基板１上に固定されるアンカー部２と、一端が重錘４に接続され、他端がアンカー部２に接続され、重錘４の内部の切り欠き部５に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の複数の圧電梁３とを備え、重錘４に作用する加速度を、圧電梁３の電極に発生する電荷に基づいて検出することを特徴とする慣性センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、２軸ないしは３軸方向の加速度ないしは角速度を検出することのできる圧電素子を用いた慣性センサに関する。

電子産業、自動車産業や機械産業などでは、小型で信頼性の高い、多軸の加速度センサや角速度センサが望まれている。このような需要に応えるため、多軸の加速度センサとして、基板上に数ヶ所設置されたアンカー部に、バネを介して重錘を接続し、重錘に加わる加速度により生じる重錘の変位を、重錘に設置された櫛歯状電極と基板に固定された櫛歯状電極の間の容量変化により検出する、静電容量型の加速度センサが広く使用されている。

また、多軸の角速度センサとしても多軸の加速度センサと類似の構造が提案されている（例えば、特許文献１）。すなわち、基板上に数ヶ所設置されたアンカー部に、バネを介して重錘を接続し、重錘に設置された櫛歯状電極と基板に固定された櫛歯状電極の間に交流電圧を印加する。そして、静電力により重錘を励振し、重錘に加わるコリオリ力により生じる重錘の変位を、重錘に設置された櫛歯状電極と基板に固定された櫛歯状電極の間の容量変化により検出する。このような、静電型の角速度センサが広く使用されている。
特開平６−１２３６３２号公報

もっとも、一般に、上述した静電容量の変化を利用したセンサは、製造コストが安価であるという利点はあるが、形成される静電容量が非常に小さいため、信号処理がむずかしいという欠点がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、製造プロセスが容易で、超小型化が可能な多軸の加速度センサないしは角速度センサを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様の慣性センサは、基板と、前記基板上方に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の重錘と、前記重錘の内部の切り欠き部に形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、一端が前記重錘に接続され、他端が前記アンカー部に接続され、前記重錘の内部の切り欠き部に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の複数の圧電梁とを備え、前記重錘に作用する加速度を、前記圧電梁の各電極に発生する電荷に基づいて検出することを特徴とする。

本発明の第２の態様の慣性センサは、基板と、前記基板上方に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される平板状の重錘と、前記重錘の内部の切り欠き部に形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、一端が前記重錘に接続され、他端が前記アンカー部に接続され、前記重錘の内部の切り欠き部に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の複数の圧電梁とを備え、前記複数の圧電梁のいずれかによって前記重錘に一方向の共振運動を印加し、前記重錘に作用するコリオリ力を、前記複数の圧電梁のいずれかの電極に発生する電荷に基づいて検出することを特徴とする。

本発明によれば、製造プロセスが容易で、超小型化が可能な多軸の加速度センサないしは角速度センサを提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態の慣性センサについて、図面を参照しつつ説明する。なお、本明細書中、「圧電梁」とは、加速度センサの検出梁、角速度センサの検出梁または励振梁そして機能するすべての梁を包括する用語として用いている。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の慣性センサは、基板と、この基板上方に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の重錘と、この重錘の内部の切り欠き部に形成され、基板上に固定されるアンカー部と、一端が重錘に接続され、他端がアンカー部に接続され、重錘の内部の切り欠き部に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の複数の圧電梁とを備えている。そして、重錘に作用する加速度を、検出梁の各電極に発生する電荷に基づいて検出する。

本実施の形態の慣性センサは、上記構成を有する加速度センサである。そして、この加速度センサは、重錘を重錘内部に形成されるアンカー部と圧電梁（検出梁）で支持することにより、重錘や検出梁を構成する圧電膜に生ずる製造時のそりや残留応力の影響をキャンセルすることが可能になる。したがって、容易に圧電素子を用いた高性能な加速度センサを製造することが可能となる。また、圧電梁を重錘の外部ではなく内部に設ける構造とすることで、加速度センサの超小型化を可能にする。

図１は、本実施の形態の加速度センサの上面図である。図２は、図１の加速度センサの側断面図である。この加速度センサは、基板１、基板１の中央に固定されたアンカー部２、アンカー部２に一端が接続された４本の検出梁３、検出梁３の他端が２箇所の接続部６で接続された重錘４を有する。重錘４の内部には切り欠き部５が形成され、切り欠き部５内にアンカー部２や検出梁３が含まれる。このように、検出梁３および重錘４は、基板１上方に形成され、それぞれが平板状を呈している。

本明細書では、説明の便宜を考慮して、この重錘４の中心部に原点Ｏを定め、図１、２の矢印方向に、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義している。ＸＹ平面は基板１の上面に平行な平面となり、Ｚ軸はこれに垂直な軸となる。図２は、図１に示す加速度センサをＸ軸に沿って切断した断面に相当する。

図１に示すように、アンカー部が、重錘４の重心位置（ここでは原点Ｏ）に形成されている。そして、アンカー部２と重錘４を放射状に接続するように４本のＴ字形状の検出梁３ａ〜３ｄが配置されている。このように、複数の検出梁が、重心に対して対称に形成されている。ここでＸ軸上に設置された２本の圧電梁３ａおよび３ｃはＹ軸およびＺ軸加速度の検出用、Ｙ軸上に設置された２本の圧電梁３ｂおよび３ｄはＸ軸およびＺ軸加速度の検出用であるが、構造は全て同一である。

図３は、個々の圧電梁３の平面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ断面図である。圧電梁３は、上面から、上部電極１１、上部圧電膜１２、中間電極１３、下部圧電膜１４、および下部電極１５がこの順に積層されて構成される積層構造を備えている。圧電膜１２および１４はいずれもＺ軸方向に分極を持つ。ここで、例えば、電極１１、１３、１５は厚さが２００ｎｍのＡｌ、圧電膜１２、１４は厚さが２μｍのＡｌＮで形成される。圧電膜１２、１４のＡｌＮは膜面に対し、垂直方向に配向している。

上部電極１１は、第１の部分１１ａ、第２の部分１１ｂ、および第３の部分１１ｃに分割されている。また、中間電極１３は、第１の部分１３ａおよび第２の部分１３ｂに分割されている。ここで、重錘４も圧電梁３と同様の積層構造を備えている。また、ここでは図示しないが、上部電極１１、中間電極１３、下部電極１５の電気的な引き出しは、例えば、アンカー部２に設けられるスルーホールを介して、基板１上に形成される電極層へ配線を接続することで可能となる。

図５は本実施の形態の加速度センサの作用を説明する図である。上述の加速度センサに加速度が作用した場合に起こる現象について以下説明する。いま、重錘４にＹ軸方向の加速度が作用したとすると、図５に示すように、重錘４にＹ軸方向の力Ｆｙ（重錘４の質量に比例した大きさをもつ）が発生し、一端をアンカー部２に固定され、他端を重錘４に接続された圧電梁３は図のように撓む。

ここで、圧電梁３のアンカー部２との接続部分近傍で見ると、Ｘ軸に沿って配置された圧電梁３ａ、３ｃは面内で横方向に撓み、歪の検出に好適である。Ｙ軸に沿って配置された圧電梁３ｂ、３ｄは軸方向に荷重が加わるため、横方向には撓まず、軸方向に小さな歪を生じる。

図６は、圧電梁３ａに生じる応力および圧電作用の詳細説明図である。力Ｆｙにより、図中白矢印で示すように、圧電梁３ａの−Ｙ側の側面に引張り歪が、＋Ｙ側の側面に圧縮歪が生じる。このとき、電極１１ａには負電荷が、電極１１ｂには正電荷が発生する。このため、電極１１ａと１１ｂの間の電位差を差動増幅器１６ａにより測定することで、力Ｆｙの大きさを知ることができる。なお、中間電極１３ａないし下部電極１５においては、＋Ｙ側と−Ｙ側で発生する電荷が相殺されため、電位差は発生しない。Ｘ軸に沿って配置されたもう１つの圧電梁３ｃについても、圧電梁３ａと同様の電位差を生じる。

一方、Ｙ軸に沿って配置された圧電梁３ｂには軸方向の小さな引っ張り応力が加わり、このとき電極１１ａおよび１１ｂにはともに正の電荷が発生する。このため、電極１１ａと１１ｂの間には電位差が発生しない。また、電極１５には小さな負の電荷が発生するため、電極１３ａと１５の間には小さな正の電位差が発生する。Ｙ軸に沿って配置されたもう１つの圧電梁３ｄには軸方向の小さな圧縮応力が加わり、このとき電極１１ａおよび１１ｂにはともに負の電荷が発生するため、電極１１ａと１１ｂの間には電位差が発生しない。また、電極１５には小さな正の電荷が発生するため、電極１３ａと１５の間には小さな負の電位差が発生する。

Ｙ軸方向の力Ｆｙが加わった場合に圧電梁３ａ〜３ｄの各電極間に生じる電位差をまとめて表１に示す。

次に、重錘４にＸ軸方向の加速度が作用したときを考える。同様に圧電梁３のアンカー部２との接続部分近傍で見ると、今度はＹ軸に沿って配置された圧電梁３ｂ、３ｄが面内で横方向に撓み、歪の検出に好適である。一方、Ｘ軸に沿って配置された圧電梁３ａ、３ｃは横方向には撓まない。従って、圧電梁３ｂないし３ｄの上部電極１１ａと１１ｂの間の電位差を測定することで力Ｆｘの大きさを知ることができる。なお、中間電極１３ないし下部電極１５においては、＋Ｙ側と−Ｙ側で発生する電荷が相殺されるため、電位差は発生しない。他の圧電梁の電極間の電位差についてもＹ軸方向の加速度が作用した場合と同様に考えることができ、まとめて表２に示す。

さらに、重錘４にＺ軸方向の加速度が作用したときを考える。圧電梁３のアンカー部２との接続部分近傍で見ると、全ての圧電梁３ａ〜３ｄで上方に撓み、歪の検出に好適である。図７は、圧電梁３ａに生じる応力および圧電作用の詳細説明図である。力Ｆｚにより圧電梁３ａの＋Ｚ側の上面に圧縮歪が、−Ｚ側の下面に引張り歪が生じる。このとき、電極１３には正電荷が、電極１５には負電荷が発生する。このため、電極１３ａと１５の間の電位差を差動増幅器１７ａにより測定することで、力Ｆｚの大きさを知ることができる。なお、上部電極１１ａと１１ｂは同じ負電荷が発生するため、電極１１ａと１１ｂの間には電位差は発生しない。

圧電梁３ｂ〜３ｄについても、圧電梁３ａと全く同様である。各電極間に生じる電位差をまとめて表３に示す。

このように、重錘４にＸ、Ｙ、またはＺ軸方向の加速度が作用すると、それぞれの場合によって各圧電梁に特有の態様で電荷が発生することになる。しかも、発生する電荷量は作用した加速度の大きさに関連した量となり、発生する電荷の極性は作用した加速度の向きに応じて決まるものとなる。例えば、図６において、Ｙ軸負方向の力−Ｆｙが作用すると、各電極に発生する電荷の符号は逆転する。同様に、図７において、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各電極に発生する電荷の符号は逆転する。したがって、各圧電梁に発生する電荷を検出することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向の加速度を検出することができることになる。

図８は本実施の形態の加速度センサにおける検出回路を示す図である。前述した各圧電梁３ａ〜３ｄの各電極間に生じる電位差を検出回路により組み合わせることで、さらに高精度にＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向の加速度を独立に検出することができる。

図８（ａ）はＹ軸方向の加速度を検出するための回路である。圧電梁３ａおよび３ｃの電極１１ａと１１ｂ間の電位差を差動増幅器１６ａおよび１６ｃでそれぞれ検出し、差動増幅器１６ａおよび１６ｃの出力の和を加算増幅器１８ａにより測定する。

図８（ｂ）はＸ軸方向の加速度を検出するための回路である。圧電梁３ｂおよび３ｄの電極１１ａと１１ｂ間の電位差を差動増幅器１６ｂおよび１６ｄでそれぞれ検出し、差動増幅器１６ｂおよび１６ｄの出力の和を加算増幅器１８ｂにより測定する。

図８（ｃ）はＺ軸方向の加速度を検出するための回路である。圧電梁３ａないし３ｄの電極１３ａと１５間の電位差を差動増幅器１７ａないし１７ｄでそれぞれ検出し、差動増幅器１７ａないし１７ｄの出力の和を加算増幅器１９により測定する。

Ｙ軸、Ｘ軸、およびＺ軸方向の加速度が作用した場合の、図８（ａ）ないし図８（ｃ）の回路により検出される出力をそれぞれ上記表１ないし表３中に示す。それぞれの回路により、Ｙ、Ｘ、またはＺ各軸方向の加速度を独立に検出していることが明らかである。

本実施の形態における加速度センサは、アンカー部が中央に設置され、さらにアンカー部から放射状に圧電梁が接続され、圧電梁の他端に、アンカー部や圧電梁全体を囲むように作製された重錘が接続されている。また、圧電梁や重錘は、圧電膜および電極を積層したバイモルフ構造により平板上に作製されている。

この構造は、圧電膜に存在する成膜残留応力の影響を避けることが可能となる。成膜法により作製した圧電膜を主体にした平板状の構造物を作成する場合、成膜時に発生する圧電膜の残留応力の影響を多少なりとも受けることは必須である。例えば、バイモルフ構造を構成する上部圧電膜（図４の１２）と下部圧電膜（図４の１４）の残留応力に差がある場合は、平板構造が上ないし下に反り、そのために基板上に浮かして作成した平面構造が基板に接触して動作不良になる恐れがある。したがって、安定して構造を製造することが極めて困難である。

図９は、圧電梁およびアンカー部が重錘の外側に設けられる加速度センサの平面図である。基板１の４隅にアンカー部２を有し、それぞれのアンカー部２にＬ字状の圧電梁３が接続され、圧電梁３の他端の接続部６には中央部の重錘４が接続されている。

圧電梁３および重錘４は、第１の実施の形態と同様、上部電極１１、上部圧電膜１２、中間電極１３、下部圧電膜１４、下部電極１５から構成されている。例えば、電極の厚さはいずれも２００ｎｍ、圧電膜の厚さはいずれも２μｍである。

この構造において、圧電膜の成膜時における残留応力の制御範囲は±５０ＭＰａ程度であり、ある程度の上部圧電膜と下部圧電膜の間の残留応力差が避けられない。

図１０は、下部電極に比較して上部電極が引張り応力になった場合の、図９のＡ−Ａにおける断面図である。重錘４が下に凸に反り、中央部が基板１に接触していることが分る。一方、図１１は、下部電極に比較して上部電極が圧縮応力になった場合の、図９のＡ−Ａにおける断面図である。重錘４が上に凸に反り、周縁部が基板１に接触していることが分る。

このように、本実施の形態と異なり、重錘の外側または外部にアンカー部を配置し、中央の重錘との間を圧電梁で接続する構造では、重錘や圧電梁に圧電膜の残留応力による反りが生じた場合、反りが上向きでも下向きでも重錘の一部が基板に接触し、慣性センサとしては好適に機能することができないという問題がある。言い方を変えれば、重錘の一部が基板に接触しない構造を製造することが極めて困難である。

これに対し、本実施の形態においては、平板状に作成された重錘や圧電梁が全体として中央のアンカー部においてのみ支持されている。図１２は本実施の形態の加速度センサの断面図である。図１２に示すように、本実施の形態の構造によれば、平板状の構造が上反りであれば、基盤に接触することなく安定に支持することができる。したがって、構造を容易に安定して製造することが可能である。さらに引張りや圧縮の残留応力が生じた場合でも、中央のアンカー部によってのみ支持されているので残留応力がキャンセルされて梁に変形を生じることがない。また、圧電梁とアンカー部を重錘内部に作りこむことで、圧電梁やアンカー部を重錘の外側に設置した場合に比較して、大幅な小型化が可能になるという大きな利点もある。さらに、ＡｌＮのような圧電素子を圧電梁とすることで、膜温度補償なしに高精度な検出が可能である。

なお、加速度センサをバランスよく動作させるためには、図１のようにアンカー部２が重錘４の重心位置に形成され、複数の圧電梁３が、重心に対して対称に形成されることが望ましい。しかし、本発明は必ずしもこの構造に限られるわけではない。

また、ここでは図１のように、圧電梁３が４本である場合を例に説明した。しかし、圧電梁の本数は、複数であれば必ずしも４本に限られることはない。

また、図１のように、圧電梁３が重錘４に２箇所で接続されるＴ字形状を有する場合について説明した。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の加速度を同時にモニタするためには、この構造が望ましい。しかしながら、圧電梁の少なくても１ヶ所に屈曲部を有し、直交する２方向に撓み変形が可能な構造、例えばＬ字形状を有するものや、クランク状の形状を有するもの、途中にループ状の形状を有するものであっても構わない。

また，圧電膜の材料は，成膜プロセスの容易さ，ＣＭＯＳプロセスとの互換性，圧電性能などの観点からＡｌＮであることが望ましい。しかし，例えば，ＺｎＯ，ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ_３）など，その他の圧電性を有する材料を適用することも可能である。

次に、本実施の形態の加速度センサは既存のプロセスを用いて製造可能である。図１３は、本実施の形態の加速度センサの製造方法を示す工程順模式断面である。ここは、圧電梁の断面を示している。

まず、図１３（ａ）に示すように、基板１の表面に犠牲層６を形成する。犠牲層６としては、他の膜材料に対して選択エッチングが可能な、無機材料、金属材料、有機材料を使用することが可能であるが、ここでは非晶質シリコンを使用する場合を例に説明する。

次に、図１３（ｂ）に示すように、犠牲層６の上に、下部電極１５、下部圧電膜１４、中間電極１３、上部圧電膜１２、および上部電極１１を形成する。電極１１、１３、１５として例えば、厚さ２００ｎｍのＡｌを、圧電膜１２，１４として例えば、厚さ２μｍのＡｌＮを使用し、いずれもスパッタにより作製する。

次に、図１３（ｃ）に示すように、公知のリソグラフィーおよびエッチング法を使用してパターニングを行い、上部電極１１ａおよび１１ｂを形成する。

次に、図１３（ｄ）に示すように、公知のリソグラフィーおよびエッチング法を使用してパターニングを行い、エッチング溝５を形成する。

次に、図１３（ｅ）に示すように、犠牲層６を、ＸｅＦ_２をエッチングガスとして使用した選択エッチングにより除去する。

以上の、プロセスにより本実施の形態の加速度センサは製造可能である。

（第１の実施の形態の第１の変形例）
本変形例は、第１の実施の形態と圧電梁３の電極構成が異なる例である。図１４および１５は、本変形例の加速度センサにＸ軸方向およびＺ軸方向に加速度が加わったときの検出原理説明図である。

上部電極１１は、幅方向に１１ａ、１１ｂおよび１１ｃに分割されており、下部電極１５も、幅方向に１５ａ、１５ｂおよび１５ｃに分割されている。上部電極１１ａ、１１ｂ間および下部電極１５ａ、１５ｂ間には第１の差動増幅器１６ａが接続されており、中間電極１３ａと上部ないし下部電極１１ｃ、１５ｃの間には第２の差動増幅器１７ａが接続されている。

圧電梁３ａにＹ軸方向の加速度が加わった場合を考える。図１４に示すように、Ｙ軸方向の力Ｆｙにより、圧電梁３ａはＹ軸方向に屈曲する結果、圧電梁３ａのＹ軸−側の側面にはＸ軸方向の引張り応力が、Ｙ軸＋側の側面には圧縮応力が作用する。このとき、圧電作用により圧電膜１２および１４にはＺ軸方向に電荷を生じ、電荷の極性はＹ軸＋側の側面とＹ軸―側の側面で逆になる。すなわち、分割された上部電極１１ａと１１ｂ、あるいは下部電極１５ａと１５ｂでは電荷の極性が逆向きになり、電極１１ａと電極１１ｂの間、あるいは電極１５ａと電極１５ｂの電位差を、第１の差動増幅器１６ａにより測定することで、Ｙ方向に加わった加速度の大きさを検出することができる。

このとき、電極１１ｃと電極１５ｃは圧電梁３ａの中央に形成されているため、中間電極１３に対して電位差は生じず、中間電極１３と短絡された電極１１ｃと電極１５ｃに接続された第２の差動増幅器１７ａは、Ｙ軸方向の加速度に対して感度を持たない。

次に、加速度センサにＺ軸方向の加速度が加わった場合を考える。Ｚ軸方向の力Ｆｚにより圧電梁３ａはＺ軸方向に屈曲し、図１５に示すように、上部圧電膜１２にはＸ軸方向の圧縮応力が、下部圧電膜１４には引張り応力が作用する。圧電作用により上部および下部圧電膜１２、１４にはＺ軸方向に逆符号の電荷を生じる。このとき、中間電極１３ａと分割された上部電極１１ａないし１１ｂとの間に生じる電圧は等しく、同様に中間電極１３と分割された下部電極１５ａないし１５ｂとの間に生じる電圧は等しく、第１の差動増幅器１６ａはＺ軸方向の加速度に対して感度を持たない。

一方、中間電極１２ａと上部ないし下部電極１１ｃ、１５ｃとの間にはＺ軸方向の加速度に応じた電圧が生じ、第２の差動増幅器１７ａにより測定することで、Ｚ方向に加わった加速度の大きさを検出することができる。

次に、加速度センサにＸ軸方向の加速度が加わった場合を考える。圧電梁３ａの上部および下部圧電膜１２、１４にはほぼ均等にＸ軸方向の引張り応力が加わる。従って、このときに中間電極１３ａと上部電極１１ａないし１１ｂの間に生じる電圧は等しく、同様に中間電極１３ａと下部電極１５ａないし１５ｂの間に生じる電圧は等しく、これらに接続された第１の差動増幅器１６ａは、Ｘ軸方向の加速度に対して感度を持たない。

また、中間電極１３ａと上部電極１１ｃとの間と、中間電極１３ａと下部電極１５ｃとの間には小さな電位差が誘起され、中間電極１３ａと、短絡された電極１１ｃと電極１５ｃに接続された第２の差動増幅器１７ａは、Ｘ軸方向の加速度に対して小さな感度を持つ。

このように、重錘４にＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の加速度が作用すると、それぞれの場合によって各圧電梁に特有の態様で電荷が発生することになる。しかも、発生する電荷量は作用した加速度の大きさに関連した量となり、発生する電荷の極性は作用した加速度の向きに応じて決まるものとなる。例えば、図１４において、Ｙ軸負方向の力−Ｆｙが作用すると、各電極に発生する電荷の符号は逆転する。同様に、図１５において、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各電極に発生する電荷の符号は逆転する。結局、各圧電梁に発生する電荷を検出することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向の加速度を検出することができることになる。

なお、第１の作動増幅器１６ａ〜１６ｄおよび第２の作動増幅器１７ａ〜１７ｄの出力を、図８に示したように接続した回路を形成することで、Ｙ軸、Ｘ軸、およびＺ軸方向の加速度が作用した場合に、Ｙ、Ｘ、Ｚ各軸方向の加速度を独立に検出していることができることはいうまでもない。

（第１の実施の形態の第２の変形例）
本変形例の加速度センサは、第１の実施の形態の加速度センサの圧電梁がバイモルフ構造であるのに対し、ユニモルフ構造であること以外は第１の実施の形態と同様である。したがって、重複する内容については記載を省略する。

図１６は、本変形例の圧電梁の断面図である。第１の実施の形態の図４に相当する。圧電梁は、上面から、上部電極１１、圧電膜１９、および下部電極１５で構成される積層構造を備えている。

圧電梁がユニモルフ構造の本変形例においても、第１の実施の形態と同様の作用・効果を得ることが可能となる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の慣性センサは、基板と、この基板上方に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極の順に積層される積層構造を有する平板状の重錘と、この重錘の内部の切り欠き部に形成され、基板上に固定されるアンカー部と、一端が重錘に接続され、他端がアンカー部に接続され、重錘の内部の切り欠き部に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極の順に積層される積層構造を有する平板状の複数の圧電梁とを備えている。そして、複数の圧電梁のいずれかによって重錘に一方向の共振運動を印加し、重錘に作用するコリオリ力を、複数の圧電梁のいずれかの電極に発生する電荷に基づいて検出する。

本実施の慣性センサは、第１の実施の形態が加速度センサであるのに対し、角速度センサである。もっとも、構造は、第１の実施の形態とほぼ同様であるため、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

本実施の形態の角速度センサは、第１の実施の形態と同様の作用・効果を有する。すなわち、重錘を重錘内部に形成されるアンカー部で支持することにより、重錘、圧電梁を構成する圧電膜に生ずる製造時のそりや残留応力の影響をキャンセルすることが可能になる。したがって、容易に圧電素子を用いた高性能な角速度センサを製造することが可能となる。また、圧電梁を重錘の外部ではなく内部に設ける構造とすることで、角速度センサの超小型化を可能にする。

本実施の形態の角速度センサは、コリオリ力を利用して角速度を検出する。図１７は、角速度センサの基本原理の説明図である。いま、ＸＹＺ三次元座標系の原点位置に振動子８が置かれているものとする。この振動子８のＹ軸まわりの角速度ωｙを検出するには、図１７に示すように、この振動子８にＺ軸方向の振動（共振運動）Ｕｚを与えたときに、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｃｘを測定すればよい。発生するコリオリ力Ｆｃｘは、
Ｆｃｘ ＝ ２ｍ・ｖ_ｚ・ω_ｙ
で表される。

ここで、ｍは振動子８の質量、ｖ_ｚは振動子８の振動についての瞬時の速度、ω_ｙは振動子８の瞬時の角速度である。また、この振動子８のＸ軸まわりの角速度ωｘを検出するには、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力Ｆｃｙを測定すればよい。このように、ＸおよびＹ軸の角速度を検出するには、振動子８をＺ軸方向に振動させる機構と、振動子８に作用するＸ軸方向のコリオリ力Ｆｃｘを検出する機構と、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙを検出する機構とが必要になる。

図１８は、本実施の形態の角速度センサの上面図である。図１９は、図１８のＡ−Ａ側断面図である。この角速度センサは、アンカー部２と重錘４を放射状に接続するように４本のＴ字形状の励振梁または検出梁として機能する圧電梁３ａ〜３ｄが配置されている。ここでＸ軸上に設置された２本の圧電梁３ａおよび３ｃはＺ軸励振およびＹ軸コリオリ力の検出用、Ｙ軸上に設置された２本の圧電梁３ｂおよび３ｄはＺ軸励振およびＸ軸コリオリ力の検出用であるが、構造は全て同一である。

図２０は、個々の圧電梁３の平面図である。図２１は、図２０におけるＡ−Ａ断面図である。圧電梁３は、上部電極１１、上部圧電膜１２、中間電極１３、下部圧電膜１４、および下部電極１５から構成されている。圧電膜１２および１４はいずれもＺ軸方向に分極を持つ。上部電極１１は、第１の部分１１ａ、第２の部分１１ｂ、および第３の部分１１ｃに分割されている。

一般に、圧電膜には、外部から電圧を加えると、圧電素子内部の所定方向に圧力が発生する性質を有する。ここで、図２１を用いて、圧電梁３ａの電極間に電圧を印加した場合にどのような現象が起こるか説明する。

圧電梁３ａの電極１３に正、電極１５に負の電圧を印加すると、第２の圧電膜１４はＺ軸方向に分極されていることから、厚み方向（Ｚ軸方向）に圧縮応力を、Ｘ軸およびＹ軸方向に引張り応力を生じる。従って、圧電梁３はＺ軸の負方向に凸になるように撓む。従って重錘４はＺ軸負方向に変位することになる。

ここで、電極１３および１５に供給していた電圧の極性を逆転させると、圧電膜の伸縮状態も逆転することになり、重錘４はＺ軸正方向に変位する。この２つの変位状態が交互に起こるように、供給電圧の極性を交互に反転させてやれば、重錘４をＺ軸方向に往復運動させてやることができる。別言すれば、重錘４に対して、Ｚ軸方向に関する振動Ｕｚを与えることができる。このような電圧供給は、対向する電極間に交流信号を印加することにより実現できる。

続いて、本実施の形態の角速度センサにおける、コリオリ力の検出方法について説明する。図２２は、コリオリ力の検出方法を説明する図である。コリオリ力の検出機構は、第１の実施の形態で述べた加速度の検出機構と基本的に同じである。

まず、図２２に示すように、重錘４が上述した振動機構によりＺ軸方向に振動（共振運動）し、このときにＸ軸を中心とした回転が作用すると、既に述べたようにＹ軸方向にコリオリ力Ｆｃｙが作用する。このコリオリ力Ｆｃｙは、加速度により生じる力Ｆｙと同様に測定することができる。すなわち、分割された第１の電極１１ａと１１ｂでは電荷の極性が逆向きになり、電極１１ａと電極１１ｂの間の電圧を、差動増幅器１６ａにより測定することで、Ｙ方向に加わったコリオリ力Ｆｃｙの大きさを検出することができる。

また、角速度センサは、第１の実施の形態の加速度センサついて示したように、Ｙ軸方向の加速度Ａｙによっても電荷を生じ、差動増幅器１６ａに起電力Ｖｙを発生する。Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙによる起電力を、加速度Ａｙによる起電力から分別する方法として、２種類の方法がある。

第１の方法は周波数フィルタを使用する方法である。加速度の周波数成分は、通常数十Ｈｚ以下の成分が殆どであるのに対し、コリオリ力は振動子の振動周波数にのみ存在し、振動周波数は通常数ｋＨｚから数十ｋＨｚ程度に設定する。従って、検出回路に数百Ｈｚのカットオフ周波数を持つ広域通過フィルタを接続することにより、振動周波数に同期したコリオリ力成分のみを出力することが可能になる。

第２の方法は、加振周期や振動周期に同期したＡＤ変換を行って、直接コリオリ力に起因する起電力を求める方法である。図２３は、励振電圧、Ｚ軸振動、およびコリオリ力による振動の位相関係を示した図である。Ｚ軸方向の振動の位相は励振電圧に対してπ／２だけ遅れており、またＹ軸方向のコリオリ力による振動はＺ軸方向の振動に対してπ／２だけ遅れる。従ってＹ軸方向のコリオリ力による振動は励振電圧に対してπだけ遅れることになる。

そこで、励振電圧の位相に対して（２ｎ＋１／２）πと、（２ｎ＋３／２）πの位相でＹ軸の起電力をサンプリングしてＤＡ変換することにより、Ｙ軸の起電力の極大値と極小値を得ることができる。この極大値と極小値の差からコリオリ力を測定することができる。また、極大値と極小値の平均値がＹ軸方向の加速度に相当する。

図２４は、この第２の方法を使用して角速度と加速度を分離するための回路のブロック図である。励振部５１は、前述したように重錘４をＺ軸方向に振動させるためのものである。変位検出部は、図１８に示した、駆動／圧電梁３ａないし３ｄの電極１１ａ、１１ｂからなる。増幅部５２は、変位検出部で検出された出力電圧Ｖｙを適当な値まで増幅するためのものである。

タイミング部５０は、重錘４を振動させる励振部５１を制御するための駆動信号Ｓｏを生成するとともに、励振部５１に出力する駆動信号Ｓｏと略同期したタイミング信号を生成し、そのタイミング信号を後述するサンプリング部５３に出力することにより、増幅部５２から出力されるセンサ出力をサンプリング部５３が抽出するタイミングを制御するものである。

なお、タイミング部５０からサンプリング部５３に出力されるタイミング信号には、励振部の位相に対して１／２πだけ遅れるバッファＡ用のタイミング信号と、３／２πだけ遅れるバッファＢ用のタイミング信号の２種類のタイミング信号があり、これらのタイミング信号がタイミング部５０により生成される。

サンプリング部５３は、前述したようにタイミング部５０から出力されるタイミング信号に従って、増幅部５２からのセンサ出力をサンプリングするものである。

第１の記憶手段であるバッファＡ５４は、タイミング部５０から出力される１／２πだけ遅れるタイミング信号のタイミングで、サンプリング部５３によりサンプリングされるセンサ出力の値を格納するものである。また、第２の記憶手段であるバッファＢ５５は、タイミング部５０から出力される３／２πだけ遅れるタイミング信号のタイミングで、サンプリング部５３によりサンプリングされるセンサ出力の値を格納するものである。

演算部５６は、バッファＡ５４に格納されたセンサ出力の値とバッファＢ５５に格納されたセンサ出力の値を用いて、重錘３に作用する角速度ωを求めるためにあらかじめ定められた演算を行うものである。ここでは、バッファＡ５４に格納されたセンサ出力の値とバッファＢ５５に格納されたセンサ出力の値の差をとることにより、コリオリ力により生じた振動の振幅を求めることができる。

なお、センサ出力から加速度の値を求めることも可能であり、その場合は、バッファＡ５４に格納されたセンサ出力の値とバッファＢ５５に格納されたセンサ出力の値の和をとることにより、角速度に由来する出力信号はキャンセルされ、加速度に由来する出力信号を測定することができる。

なお、図２４に示すタイミング部５０から、バッファＡ５４、バッファＢ５５および演算部５６への矢印は、タイミング部５０からサンプリング部５３へのタイミング信号と、バッファＡ５４およびバッファＢ５５へのバッファリングのタイミングおよび演算部５６の演算のタイミングを同期させるための同期信号である。

このようにして、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙを検出するための圧電梁３ａにより、Ｙ軸方向のコリオリ力のみ検出することが可能であり、Ｚ軸方向の振動、およびＹ軸方向の加速度（もちろんＸ軸方向やＺ軸方向の加速度）の影響は受けない。

Ｘ軸に沿って形成されたもう１つの圧電梁３ｃについても、圧電梁３ａと全く同じように、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｃｙを検出することが可能である。また、Ｙ軸に沿って形成された圧電梁３ｂおよび３ｄにおいては、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｆｃｘを検出することが可能である。

このように、本実施の形態によれば、Ｘ軸およびＹ軸周りの回転速度に感度を持つ角速度センサを実現することができる。そして、製造が容易であり、超小型化が可能である点については、第１の実施の形態の加速度センサと同様である。また、本実施の形態の慣性センサは、図２４に示す構成を利用することによって、角速度および加速度の両方のセンサとして機能させることも可能である。

（第３の実施の形態）

本実施の慣性センサは、第２の実施の形態の角速度センサが、Ｔ字形状のバイモルフ構造の圧電梁を備えることに対し、L字形状のユニモルフ構造の圧電梁を備える角速度センサである点で異なっている。第２の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図２５は、本実施の形態の角速度センサの上面図である。この角速度センサは、アンカー部２と重錘４を放射状に接続するように８本のL字形状の励振梁または検出梁として機能する圧電梁３ａ、３ａ’、３ｂ、３ｂ’、３ｃ、３ｃ’、３ｄ、３ｄ’が配置されている。ここでＸ軸上に設置された４本の圧電梁３ａ、３ａ’、３ｃ、および３ｃ’はＹ軸励振用、Ｙ軸上に設置された４本の圧電梁３ｂ、３ｂ’、３ｄ、および３ｄ’はＸ軸コリオリ力の検出用であるが、構造は全て同一のユニモルフ構造である。

図２６は、圧電梁３の平面図である。なお、ここでは、圧電梁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを例にしているが、圧電梁３ａ’、３ｂ’、３ｃ’、３ｄ’の場合は、図２６においてＬ字の向きが反転される。図２７は、図２６におけるＡ−Ａ断面図である。圧電梁３は、上部電極１１、圧電膜１２、および下部電極１５から構成されている。圧電膜１２はＺ軸方向に分極を持つ。上部電極１１は、第１の部分１１ａ、第２の部分１１ｂ、および第３の部分１１ｃに分割されている。上部電極１５も同様に、第１の部分１５ａ、第２の部分１５ｂ、および第３の部分１５ｃに分割されている。

図２８および図２９は、本実施の形態の角速度センサのコリオリ力の検出方法の説明図である。図２８は、Ｙ軸励振用の圧電梁３ａを示し、図２９は、Ｘ軸コリオリ力の検出用圧電梁３ｂを示す。

図２８に示すようにＹ軸励振用の圧電梁の上部電極１１と下部電極１５間に交流信号を印加を印加することで、重錘４をＹ軸方向に往復運動させる。このときに、Ｚ軸を中心とした回転が作用すると、図２９に示すように、Ｘ軸方向にコリオリ力Ｆｃｘが作用する。すなわち、上部電極１１と下部電極１５では電荷の極性が逆向きになり、上部電極１１と下部電極１５の間の電圧を、差動増幅器１６ａにより測定することで、Ｘ方向に加わったコリオリ力Ｆｃｘの大きさを検出することができる。

このように、本実施の形態によれば、Ｚ軸周りの回転速度に感度を持つ角速度センサを実現することができる。そして、製造が容易であり、超小型化が可能である点については、第１の実施の形態の加速度センサ、第２の実施の形態の角速度センサと同様である。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態
について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、慣性センサ、慣性センサの製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる慣性センサ、慣性センサの製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての慣性センサは、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

第１の実施の形態の加速度センサの上面図である。 図１の加速度センサの側断面図である。 第１の実施の形態の加速度センサの個々の圧電梁の平面図である。 図３におけるＡ−Ａ断面図である。 第１の形態の加速度センサの作用の説明図である。 第１の実施の形態の加速度センサの圧電梁に生じる応力および圧電作用の詳細説明図である。 第１の実施の形態の加速度センサの圧電梁に生じる応力および圧電作用の詳細説明図である。 第１の実施の形態の加速度センサの検出回路を示す図である。 圧電梁およびアンカー部が重錘の外側に設けられる加速度センサの平面図である。 図９のＡ−Ａにおける断面図である。 図９のＡ−Ａにおける断面図である。 第１の実施の形態の加速度センサの断面図である。 第１の実施の形態の加速度センサの製造方法を示す工程順模式断面である。 第１の実施の形態の第１の変形例の検出原理説明図である。 第１の実施の形態の第１の変形例の検出原理説明図である。 第１の実施の形態の第２の変形例の圧電梁の断面図である。 角速度センサの基本原理の説明図である。 第２の実施の形態の角速度センサの上面図である。 図１８のＡ−Ａ側断面図である。 第２の実施の形態の角速度センサの個々の圧電梁の平面図である。 図２０におけるＡ−Ａ断面図である。 第２の実施の形態の角速度センサのコリオリ力の検出方法の説明図である。 第２の実施の形態の角速度センサの振動の位相関係を示した図である。 第２の実施の形態の角速度センサのブロック図である。 第３の実施の形態の角速度センサの上面図である。 第３の実施の形態の角速度センサの個々の圧電梁の平面図である。 図２６におけるＡ−Ａ断面図である。 第３の実施の形態の角速度センサのコリオリ力の検出方法の説明図である。 第３の実施の形態の角速度センサのコリオリ力の検出方法の説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ アンカー部
３、３ａ〜３ｄ 圧電梁
４ 重錘
５ 切り欠き部
６ 接続部
１１ 上部電極
１２ 上部圧電膜
１３ 中間電極
１４ 下部圧電膜
１５ 下部電極

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上方に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の重錘と、
   前記重錘の内部の切り欠き部に形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、
   一端が前記重錘に接続され、他端が前記アンカー部に接続され、前記重錘の内部の切り欠き部に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の複数の圧電梁とを備え、
   前記重錘に作用する加速度を、前記圧電梁の電極に発生する電荷に基づいて検出することを特徴とする慣性センサ。
2. 前記重錘および前記圧電梁が、下部電極、第１の圧電膜、中間電極、第２の圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有することを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
3. 前記アンカー部が、前記重錘の重心位置に形成され、前記複数の圧電梁が、前記重心に対して対称に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の慣性センサ。
4. 前記圧電梁が前記重錘に２箇所で接続されるＴ字形状を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項に記載の慣性センサ。
5. 前記圧電膜が、膜面に対し垂直方向に配向したＡｌＮまたはＺｎＯであることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項に記載の慣性センサ。
6. 基板と、
   前記基板上方に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有する平板状の重錘と、
   前記重錘の内部の切り欠き部に形成され、前記基板上に固定されるアンカー部と、
   一端が前記重錘に接続され、他端が前記アンカー部に接続され、前記重錘の内部の切り欠き部に形成され、少なくとも下部電極、圧電膜、および上部電極が構成される積層構造を有する平板状の複数の圧電梁と、
   前記複数の圧電梁のいずれかによって前記重錘に一方向の共振運動を印加し、前記重錘に作用するコリオリ力を、前記複数の圧電梁のいずれかの電極に発生する電荷に基づいて検出することを特徴とする慣性センサ。
7. 前記重錘および前記圧電梁が下部電極、第１の圧電膜、中間電極、第２の圧電膜、および上部電極で構成される積層構造を有することを特徴とする請求項６記載の慣性センサ。
8. 前記アンカー部が、前記重錘の重心位置に形成され、前記複数の圧電梁が、前記重心に対して対称に形成されることを特徴とする請求項６または請求項７記載の慣性センサ。
9. 前記圧電梁が前記重錘に２箇所で接続されるＴ字形状を有することを特徴とする請求項６ないし請求項８いずれか一項に記載の慣性センサ。
10. 前記圧電膜が、膜面に対し垂直方向に配向したＡｌＮまたはＺｎＯであることを特徴とする請求項６ないし請求項９いずれか一項に記載の慣性センサ。