JP6076634B2 - Sensing element - Google Patents
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Description
本発明は、例えば加速度センサや角速度センサとして用いて好適なセンシング素子に関する。 The present invention relates to a sensing element suitable for use as, for example, an acceleration sensor or an angular velocity sensor.
近時、例えば角速度センサとして、特許文献1に記載の角速度センサが知られている。この特許文献1記載の角速度センサは、ベース基板と、ベース基板に設置された台座と、台座上に設置され、環状溝を有する可撓性基板と、可撓性基板上に設置された圧電素子とを有する。可撓性基板は、外側に位置する固定部と、内側に位置する作用部と、固定部と作用部の間に位置する薄肉の可撓部とを一体に有する。作用部の下端には重錘体が設置される。圧電素子は、圧電体と下部電極と上部電極とを有する。そして、重錘体を、所定の自由度をもって移動可能となるように支持した状態で、重錘体の中心軸を中心としてXY平面内で円軌道に沿って円運動させ、重錘体がX軸を通過する瞬間に、重錘体に対してZ軸方向に作用するコリオリ力を検出することにより、X軸まわりの角速度を検出する。
Recently, for example, an angular velocity sensor described in
ところで、複数の部材から構成される特許文献1のような従来のセンサは、各々の部材を一体化する場合に、部材同士を接合あるいは接着する必要があり、部材間に接合層が存在することとなる。接合層は、制振作用があり、固体表面の振動の振動エネルギーを熱エネルギーに変換することから、損失係数が大きく、そのため、振動エネルギーの減衰につながり、検出精度の低下をもたらす。また、センシング素子を共振させることが困難になったり、共振させるまでに時間がかかり、検出遅延の原因となる。
By the way, the conventional sensor like
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、センシング素子全体の損失係数を小さくでき、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができるセンシング素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such problems, and can reduce the loss coefficient of the entire sensing element, improve the detection accuracy of acceleration and angular velocity, and reduce the detection delay as much as possible. An object of the present invention is to provide a sensing element that can be used.
[1] 本発明に係るセンシング素子は、圧電体と、前記圧電体の一方の主面に対向して設けられた振動板と、前記振動板の一方の主面に対向して設けられた錘部と、前記圧電体に接して設けられた上部電極及び下部電極と、少なくとも前記振動板と前記錘部との間に設けられた接合層とを有し、前記接合層及び前記振動板の損失係数が前記圧電体の損失係数以下であることを特徴とする。 [1] A sensing element according to the present invention includes a piezoelectric body, a diaphragm provided to face one principal surface of the piezoelectric body, and a weight provided to face one principal surface of the diaphragm. Part, an upper electrode and a lower electrode provided in contact with the piezoelectric body, and a bonding layer provided at least between the vibration plate and the weight portion, and loss of the bonding layer and the vibration plate The coefficient is less than or equal to the loss coefficient of the piezoelectric body.
[2] 本発明において、前記接合層及び前記振動板の損失係数が100×10−4以下であってもよい。 [2] In the present invention, loss factors of the bonding layer and the diaphragm may be 100 × 10 −4 or less.
[3] 本発明において、前記接合層が無機材で構成されていてもよい。 [3] In the present invention, the bonding layer may be made of an inorganic material.
[4] この場合、前記接合層が金属で構成されていてもよい。 [4] In this case, the bonding layer may be made of metal.
[5] 本発明において、前記振動板が無機材で構成されていてもよい。 [5] In the present invention, the diaphragm may be made of an inorganic material.
[6] この場合、前記振動板が金属で構成されていてもよい。 [6] In this case, the diaphragm may be made of metal.
[7] 本発明において、前記振動板が前記下部電極及び前記接合層を兼用する金属膜で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との常温接合による接合領域が形成されていてもよい。 [7] In the present invention, the diaphragm is composed of a metal film that also serves as the lower electrode and the bonding layer, the weight portion is composed of an inorganic material other than metal, and the boundary between the diaphragm and the weight portion In the portion, a bonding region may be formed by room temperature bonding between the metal film and the inorganic material.
[8] 本発明において、前記振動板が前記下部電極を兼用する金属膜と前記接合層を兼用する金属酸化膜との積層体で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属酸化膜と無機材との常温接合による接合領域が形成されていてもよい。 [8] In the present invention, the diaphragm is composed of a laminate of a metal film also serving as the lower electrode and a metal oxide film also serving as the bonding layer, and the weight portion is composed of an inorganic material other than metal, A joining region by room temperature joining between the metal oxide film and the inorganic material may be formed at a boundary portion between the vibration plate and the weight portion.
[9] 本発明において、前記振動板が前記下部電極及び前記接合層を兼用する金属膜で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との拡散接合による接合領域が形成されていてもよい。 [9] In the present invention, the diaphragm is made of a metal film that also serves as the lower electrode and the bonding layer, the weight portion is made of an inorganic material other than metal, and the boundary between the diaphragm and the weight portion A bonding region by diffusion bonding between the metal film and the inorganic material may be formed in the portion.
[10] 本発明において、前記圧電体、前記下部電極及び前記振動板が焼成一体化されて1つの焼成体として構成され、前記焼成体と前記錘部との間に前記接合層を有し、前記接合層が金属膜で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記接合層と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との拡散接合による接合領域が形成されていてもよい。 [10] In the present invention, the piezoelectric body, the lower electrode, and the diaphragm are integrally fired to form one fired body, and the bonding layer is provided between the fired body and the weight portion. The bonding layer is formed of a metal film, the weight portion is formed of an inorganic material other than metal, and a bonding region formed by diffusion bonding of the metal film and the inorganic material is formed at a boundary portion between the bonding layer and the weight portion. It may be formed.
[11] 本発明において、前記振動板が前記下部電極を兼用する金属膜で構成され、前記接合層は、前記振動板側の金属膜と、前記錘部側の金属膜との共晶接合による接合領域が形成されていてもよい。 [11] In the present invention, the diaphragm is formed of a metal film that also serves as the lower electrode, and the bonding layer is formed by eutectic bonding of the metal film on the diaphragm side and the metal film on the weight side. A junction region may be formed.
[12] 本発明において、前記圧電体、前記下部電極及び前記振動板が焼成一体化されて1つの焼成体として構成され、前記接合層は、前記焼成体側の金属膜と、前記錘部側の金属膜との共晶接合による接合領域が形成されていてもよい。 [12] In the present invention, the piezoelectric body, the lower electrode, and the vibration plate are integrally formed by firing to form one fired body, and the bonding layer includes the metal film on the fired body side and the weight side. A junction region by eutectic bonding with the metal film may be formed.
[13] 本発明において、前記振動板が金属膜で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記接合層が、前記振動板と前記錘部との間に形成されたろう材であってもよい。 [13] In the present invention, the vibration plate is made of a metal film, the weight portion is made of an inorganic material other than metal, and the bonding layer is formed between the vibration plate and the weight portion. It may be.
[14] 本発明において、少なくとも前記上部電極は複数の電極にて構成され、前記複数の電極は、前記錘部を駆動するための駆動用電極と、前記錘部の変位を検出するための検出用電極とを有するようにしてもよい。 [14] In the present invention, at least the upper electrode is composed of a plurality of electrodes, and the plurality of electrodes are a driving electrode for driving the weight part and a detection for detecting a displacement of the weight part. For example.
[15] 本発明において、少なくとも前記上部電極は複数の電極にて構成され、前記複数の電極は、前記錘部の変位を検出するための検出用電極のみを有するようにしてもよい。 [15] In the present invention, at least the upper electrode may be composed of a plurality of electrodes, and the plurality of electrodes may have only detection electrodes for detecting displacement of the weight portion.
[16] [14]又は[15]において、前記下部電極は前記複数の電極の対向電極であって、共通電極であってもよい。 [16] In [14] or [15], the lower electrode may be a counter electrode of the plurality of electrodes and a common electrode.
[17] この場合、前記振動板が前記下部電極を兼用してもよい。 [17] In this case, the diaphragm may also serve as the lower electrode.
[18] 本発明において、前記圧電体の厚みと前記振動板の厚みは、前記圧電体と前記振動板とで構成される梁を曲げた際の材料力学上の中立軸が前記振動板側に位置するように規定されていてもよい。 [18] In the present invention, the thickness of the piezoelectric body and the thickness of the diaphragm are such that a neutral axis in material mechanics when a beam composed of the piezoelectric body and the diaphragm is bent is on the diaphragm side. It may be defined to be located.
[19] この場合、前記中立軸が前記圧電体と前記振動板との境界部分に位置するときの前記振動板の厚みを基準厚みとしたとき、前記振動板の厚みは前記基準厚み以上であることが好ましい。 [19] In this case, the thickness of the diaphragm is equal to or greater than the reference thickness when the thickness of the diaphragm when the neutral axis is located at the boundary portion between the piezoelectric body and the diaphragm is a reference thickness. It is preferable.
本発明に係るセンシング素子によれば、センシング素子全体の損失係数を小さくでき、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができる。 According to the sensing element of the present invention, the loss coefficient of the entire sensing element can be reduced, the detection accuracy of acceleration and angular velocity can be improved, and the detection delay can be shortened as much as possible.
以下、本発明に係るセンシング素子の実施の形態例を図1A〜図23を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of a sensing element according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 23.
本実施の形態に係るセンシング素子10は、図1A及び図1Bに示すように、圧電体12と、該圧電体12の一主面12a(例えば下面)に対向して設けられた振動板14と、振動板14の一主面14a(例えば下面)の外周部分に対向して設けられた支持部16と、振動板14の一主面14aの中央部分に対向して設けられた錘部18と、圧電体12に接して設けられた複数の上部電極20(第1上部電極20a〜第5上部電極20e)及び下部電極22と、下部電極22と振動板14との間に設けられた第1接合層24aと、振動板14と支持部16及び錘部18との間に設けられた第2接合層24bとを有する。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
そして、第1接合層24a、第2接合層24b及び振動板14の各損失係数が圧電体の損失係数以下であり、好ましくは100×10−4以下である。
And each loss coefficient of the
なお、図1Aの例では、センシング素子10を上面から見た平面形状を円形としているが、四角形状(正方形、長方形)、多角形状(六角形、八角形等)でもよい。また、支持部16と錘部18との間に形成される中空部26(環状溝)は、図1A及び図1Bの例では、圧電体12の平面形状に合わせて円環状としているが、四角形の環状でもよいし、多角形の環状でもよい。
In the example of FIG. 1A, the planar shape of the
圧電体12は、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)やマグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)等の圧電特性に優れた圧電セラミックスが好適に用いられる。なお、本実施の形態において、圧電体12として、圧電材料もしくは電歪材料のいずれを用いても構わない。また、圧電体12の気孔率は20%以下であることが好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。気孔率が高すぎると十分な圧電/電歪特性を得ることが困難となるからである。なお、気孔率は、圧電体12の断面を脱粒しないように鏡面研磨し、その断面をSEM等を用いて観察した場合の視野面積に対して気孔部分の面積が占める割合で規定した。
As the
上部電極20は、複数形成され、この例では、第1上部電極20a〜第5上部電極20eが形成されている。上部電極20は、スクリーン印刷法、スパッタ法等が好適に用いられる。圧電体12の一主面12aに形成された下部電極22は、第1上部電極20a〜第5上部電極20eの共通の対向電極である。
A plurality of
上部電極20の電極材としては、Ag(銀)、Au(金)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)あるいはこれらの合金を用いることが好ましい。特に、PdやPtといった高融点金属を用いた場合には、圧電体12との同時焼成を容易に行うことができ、好ましい。その他、Cu(銅)やNi(ニッケル)、Al(アルミニウム)等、種々の金属材料を電極及び電極リードとして用いることができる。
As an electrode material of the
上部電極20は、図1Aに示すように、圧電体12の中心軸28(「+」で示す)を中心とした円環状の第1上部電極20aと、第1上部電極20aの外周側に位置し、同じく圧電体12の中心軸28を中心とした円弧状(図の例では円環状を1/4にした円弧状)の第2上部電極20b〜第5上部電極20eとを有する。この場合、圧電体12の他主面12b(例えば上面)にXY平面を定義したとき、第2上部電極20b及び第3上部電極20cは、各円弧の長さ方向中心をX軸が横切るように配置され、第4上部電極20d及び第5上部電極20eは、各円弧の長さ方向中心をY軸が横切るように配置される。
As shown in FIG. 1A, the
第1上部電極20aは、錘部18の外周面の上方にかかるように形成され、第2上部電極20b〜第5上部電極20eは、支持部16の内周面の上方にかかるように形成される。
The first
ここで、このセンシング素子10による加速度の検出原理及び角速度の検出原理の概要について説明する。
Here, an outline of an acceleration detection principle and an angular velocity detection principle by the
先ず、加速度の検出について説明する。加速度の検出を行うには、センシング素子10を振動させる必要はない。錘部18の重心に作用するX軸方向の力fxは、第3上部電極20cに発生した電荷の量と第2上部電極20bに発生した電荷の量との差を求めることによって得られる。同様に、錘部18の重心に作用するY軸方向の力fyは、第5上部電極20eに発生した電荷と第4上部電極20dに発生した電荷との差を求めることによって得られる。同様に、錘部18の重心に作用するZ軸方向の力fzは、第1上部電極20aに発生した電荷の量により求めることができる。なお、錘部18の重心に作用したX軸方向の力、Y軸方向の力及びZ軸方向の力としては、加速度に起因する力fx、fy及びfzも、角速度に起因するコリオリ力Fx、Fy及びFzも同等であり、瞬時に検出される力としては区別できない。
First, acceleration detection will be described. In order to detect the acceleration, it is not necessary to vibrate the
そして、加速度に起因した力fと加速度αとの間には、錘部18の質量mに基づいて、f=m・αの関係があるため、得られた力fx,fy,fzに基づき、各軸方向の加速度αx,αy,αzを検出することができる。
Further, since there is a relationship of f = m · α based on the mass m of the
次に、角速度の検出原理について説明する。角速度の検出においては、センシング素子10を振動させることが必要となる。従って、先ず、センシング素子10への振動の付与について簡単に説明する。
Next, the principle of angular velocity detection will be described. In detecting the angular velocity, it is necessary to vibrate the
下部電極22と第3上部電極20cとの間に交流電圧を印加すると共に、下部電極22と第2上部電極20bとの間に、交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加するようにすれば、錘部18はX軸に沿って振動することになる。すなわち、上述した交流電圧の印加により、センシング素子10に対してX軸方向の振動Sxを与えることが可能になる。この振動Sxの周波数は、与える交流電圧の周波数によって制御可能であり、この振動Sxの振幅は、与える交流電圧の振幅値によって制御可能である。
An AC voltage is applied between the
同様に、下部電極22と第5上部電極20eとの間、及び下部電極22と第4上部電極20dとの間に、それぞれ互いに位相が逆転した交流電圧を供給することにより、錘部18をY軸方向に振動させることができる。すなわち、上述した交流電圧の印加により、センシング素子10に対してY軸方向の振動Syを与えることが可能になる。
Similarly, by supplying alternating voltages whose phases are reversed to each other between the
同様に、下部電極22と第1上部電極20aとの間に、交流電圧を印加すれば、錘部18はZ軸に沿って振動することになる。すなわち、センシング素子10に対してZ軸方向の振動Szを与えることが可能になる。
Similarly, when an AC voltage is applied between the
そして、センシング素子10に対してZ軸方向の振動Szを与えた状態で、Y軸方向に作用するコリオリ力Fyを検出することで、関係式Fy=2m・vz・ωxに基づいて、X軸まわりの角速度ωxを得ることができる。ここで、mは錘部18の質量であり、vzは錘部18のZ軸方向の瞬間速度である。そこで、第1上部電極20aと下部電極22との間に交流電圧を印加して、錘部18をZ軸方向に励振した状態にし、このとき、第5上部電極20e及び第4上部電極20dに発生する電荷の量からY軸方向に作用したコリオリ力Fyを得ることで、X軸まわりの角速度ωxを演算により求めることができる。
Then, by detecting the Coriolis force Fy acting in the Y-axis direction with the vibration Sz in the Z-axis direction applied to the
同様に、センシング素子10に対してX軸方向の振動Sxを与えた状態で、Z軸方向に作用するコリオリ力Fzを検出することで、関係式Fz=2m・vx・ωyに基づいて、Y軸まわりの角速度ωyを得ることができる。vxは錘部18のX軸方向の瞬間速度である。そこで、第3上部電極20cと下部電極22との間、及び第2上部電極20bと下部電極22との間に、それぞれ逆位相の交流電圧を印加して、錘部18をX軸方向に励振した状態にし、このとき第1上部電極20aに発生する電荷の量からZ軸方向に作用したコリオリ力Fzを得ることで、Y軸まわりの角速度ωyを演算により求めることができる。
Similarly, by detecting the Coriolis force Fz acting in the Z-axis direction in a state in which the vibration Sx in the X-axis direction is applied to the
同様に、センシング素子10に対してY軸方向の振動Syを与えた状態で、X軸方向に作用するコリオリ力Fxを検出することで、関係式Fx=2m・vy・ωzに基づいて、Z軸まわりの角速度ωzを得ることができる。ここで、vyは錘部18のY軸方向の瞬間速度である。そこで、第5上部電極20eと下部電極22との間、及び第4上部電極20dと下部電極22との間に、それぞれ逆位相の交流電圧を印加して、錘部18をY軸方向に励振した状態にし、このとき第3上部電極20c及び第2上部電極20bに発生する電荷の量からX軸方向に作用したコリオリ力Fxを得ることで、Z軸まわりの角速度ωzを演算により求めることができる。
Similarly, by detecting the Coriolis force Fx acting in the X-axis direction in a state in which the vibration Sy in the Y-axis direction is applied to the
特に、本実施の形態に係るセンシング素子10は、第1接合層24a、第2接合層24b及び振動板14の各損失係数が圧電体の損失係数以下である。
In particular, in the
一般に、部材間の接合層は、制振作用があり、固体表面の振動の振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、固体表面の振動を小さくする働きがある。この制振作用(特性)の評価指標の1つとして損失係数がある。損失係数は、弾性係数E’、損失弾性係数E’’の比(E’’/E’)で表される。損失係数が大きいほど振動エネルギーを熱エネルギーに変換するため、振動エネルギーの減衰につながり、センシング素子10を共振させることが困難になったり、共振させるまでに時間がかかり、検出遅延の原因となる。
In general, the bonding layer between the members has a damping effect, and has a function of converting vibration energy of vibration on the solid surface into heat energy and reducing vibration on the solid surface. There is a loss factor as one of the evaluation indexes of the damping action (characteristic). The loss coefficient is represented by the ratio (E ″ / E ′) of the elastic coefficient E ′ and the loss elastic coefficient E ″. Since the vibration energy is converted into thermal energy as the loss factor is larger, the vibration energy is attenuated, making it difficult to resonate the
これに対して、本実施の形態では、上述したように、第1接合層24a、第2接合層24b及び振動板14の各損失係数が圧電体の損失係数以下である。下部電極22は金属膜にて形成されることから、下部電極22の損失係数も圧電体12の損失係数以下である。すなわち、圧電体12と錘部18との間には、圧電体12の損失係数以下の部材が介在している。従って、上部電極20と下部電極22間に印加された交流電圧に基づいて圧電体12に発生した振動エネルギーは、下部電極22、第1接合層24a、振動板14及び第2接合層24bによってほとんど減衰することなく、効率よく錘部18に伝達され、センシング素子10を容易に共振させることができる。これは、コリオリ力の検出精度(角速度の検出精度)を向上させることができ、しかも、早期に角速度の検出を行うことができる。特に、第1接合層24a、第2接合層24b及び振動板14の各損失係数を100×10−4以下とすることで、圧電体12に発生した振動をさらに効率よく錘部18に伝えることができ、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができる。
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the loss coefficients of the
さらに、本実施の形態においては、図2A及び図2Bに示すように、圧電体12の厚みtaと振動板14の厚みtbは、圧電体12と振動板14とで構成される梁32を曲げた際の材料力学上の中立軸34が振動板14側に位置するように規定されている。振動板14側に位置するとは、圧電体12のうち、圧電体12の厚み方向中心部分から振動板14にかけての部分、圧電体12と振動板14との境界部分、又は振動板14に中立軸34が位置することを示す。なお、図2A及び図2Bでは、振動板14が金属で構成されて下部電極22を兼用している。
Further, in the present embodiment, as shown in FIGS. 2A and 2B, the thickness ta of the
ここで、中立軸34について以下に説明する。先ず、図3Aに示すように、横断面が左右対称の1つの梁32の曲げ変形における該梁32の微小領域32aでの曲げ変形を考える。図3Bに示すように、曲げモーメントMによって微小領域32aはほぼ均一に円弧状に曲がるとする。微小領域32aのうち、曲げ変形の内側(凹部側)は圧縮応力により縮み、曲げ変形の外側(凸部側)は、引張応力により伸びている。この曲げ変形が弾性範囲内においては、円弧の中心Oからの距離によって線形的に圧縮から引張へと変化する(図3C参照)。このとき、梁32の長手方向の垂直応力及びひずみがゼロとなる場所がある。微小領域32aの両端の仮想断面は静的な力の釣り合いにより回転しないから、このような場所から曲げ変形の内側(凹部側)の圧縮力と曲げ変形の外側(凹部側)の引張力は釣り合っているといえ、この場所を中立面36(図3C参照)という。そして、前提として横断面は左右対称としていることから、中立面36とその対称面38の交差する線を中立軸34という。図3Bに示すように、この中立軸34を円弧とする曲率半径をR、円弧のなす角をdθとしたとき、中立軸34の長さLAAは、
LAA=R・dθ
である。
Here, the
L AA = R · dθ
It is.
そして、本実施の形態では、圧電体12と振動板14とで構成される梁32において、中立軸34が圧電体12と振動板14との境界部分に位置するときの振動板14の厚みtbを基準厚みtcとしたとき、振動板14の厚みtbは基準厚みtc以上である。
In the present embodiment, the thickness tb of the
具体的に、圧電体12の厚みtaとして好ましい範囲である1〜100μmに基づき、振動板14の基準厚みtcと圧電体12の厚みtaとの比(tc/ta)をシミュレーションで確認した結果を下記表1及び図4に示す。
Specifically, the result of confirming the ratio (tc / ta) of the reference thickness tc of the
振動板14の構成材料を金(Au)とした場合は、図4の実線L1に示すように、圧電体12の厚みtaをx、膜厚比(tc/ta)をyとしたとき、膜厚比は、y=−0.00039x+0.79689に示す直線上に存在する。例えば圧電体12の厚みtaが1μmのとき、膜厚比(tc/ta)は0.80であり、圧電体12の厚みtaが100μmのとき、膜厚比(tc/ta)は0.76である。このことから、振動板14の厚みtbと圧電体12の厚みtaとの比(tb/ta)は0.76以上であればよい。もちろん、膜厚比(tb/ta)が0.80以上であれば、圧電体12の好ましい厚み範囲(1〜100μm)にわたって適用可能となる。より厳密には、振動板14の厚みtbは、x(−0.00039x+0.79689)μm以上にすればよい。
When the constituent material of the
振動板14の構成材料を銅(Cu)とした場合は、図4の実線L2に示すように、圧電体12の厚みtaをx、膜厚比(tc/ta)をyとしたとき、膜厚比は、y=−0.00040x+0.65557に示す直線上に存在する。例えば圧電体12の厚みtaが1μmのとき、膜厚比(tc/ta)は0.66であり、圧電体12の厚みtaが100μmのとき、膜厚比(tc/ta)は0.62である。このことから、振動板14の厚みtbと圧電体12の厚みtaとの比(tb/ta)は0.62以上であればよい。もちろん、膜厚比(tb/ta)が0.66以上であれば、圧電体12の好ましい厚み範囲(1〜100μm)にわたって適用可能となる。より厳密には、振動板14の厚みtbは、x(−0.00040x+0.65557)μm以上にすればよい。
When the constituent material of the
振動板14の厚みtbの上限値は、錘部18の質量や、圧電体12と振動板14とによる梁32の剛性等に応じて設定することができ、例えば200μm以下、150μm以下、100μm以下を好ましく採用することができる。
The upper limit value of the thickness tb of the
上述のように、圧電体12の厚みtaと振動板14の厚みtbを、圧電体12と振動板14とで構成される梁32を曲げた際の材料力学上の中立軸34が振動板14側に位置するように規定することで、圧電体12には、曲げ方向に応じて圧縮応力又は引張応力のいずれかが加わり、圧縮応力及び引張応力が混在することがなく、しかも、圧縮応力と引張応力とが打ち消し合うこともない。従って、例えば角速度の検出において、上部電極20に印加される交流電圧の周波数及び振幅に応じた振動を忠実に錘部18に与えることができ、これにより、センシング素子10に作用したコリオリ力を精度よく得ることができ、角速度の検出精度を向上させることができる。また、圧縮応力又は引張応力が線形的に低下する部分に圧電体12と振動板14との境界が位置することになるため、振動板14を金属膜(スパッタやめっき等による金属膜)にて構成しても、振動板14が圧電体12から剥離しにくくなり、別途接合のための層を介在させる必要がない。特に、図2Bに示すように、振動板14の厚みtbを基準厚みtcにすることで、圧電体12と振動板14との境界に中立軸34が位置することになるため、圧電体12と振動板14との境界における応力や歪がゼロとなり、振動板14が圧電体12から剥離することを確実に防止することができる。
As described above, the
次に、本実施の形態に係るセンシング素子10の具体例について図5〜図18を参照しながら説明する。
Next, a specific example of the
先ず、第1の具体例に係るセンシング素子(以下、第1センシング素子10Aと記す)は、図5に示すように、振動板14が金属膜で構成され、支持部16及び錘部18がそれぞれ金属以外の無機材で構成されている。ここでは、振動板14を構成する金属膜が、図1Bに示す下部電極22を兼ねていることから、第1接合層24aの形成が不要となり、しかも、振動板14を構成する金属膜が第2接合層24bをも兼ねていることから、別途第2接合層24bを形成する必要がない。振動板14と支持部16及び錘部18との境界部分には、金属と無機材(例えばガラス)との常温接合による第1接合領域40aが形成されている。
First, as shown in FIG. 5, in the sensing element according to the first specific example (hereinafter referred to as the
具体的には、振動板14は、例えば第1金属膜42a及び第2金属膜42bによる2層構造となっており、圧電体12側の第1金属膜42aとして、Cr(クロム)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)又はNi(ニッケル)等のスパッタ金属膜を使用し、支持部16及び錘部18側の第2金属膜42bとして、第1金属膜42aと同様の金属による厚膜の第2スパッタ金属膜を使用することができる。あるいは、第1金属膜42aとして、上述した金属によるスパッタ金属膜を使用し、第2金属膜42bとして、Au、Cu又はNi等の電解めっき層を使用することができる。あるいは、第1金属膜42aとして、Au、Cu又はNi等の無電解めっき層を使用し、第2金属膜42bとして、Au、Cu又はNi等の電解めっき層を使用することができる。あるいは、第1金属膜42aとして、Au、Cu又はNi等の無電解めっき層を使用し、第2金属膜42bとして、上述した金属のスパッタ金属膜を使用することができる。
Specifically, the
第1センシング素子10Aの製造方法について図6を参照しながら説明する。先ず、図6のステップS1において、グリーンシートを成形した後、焼成をして圧電体12を作製する。その後、ステップS2において、圧電体12の一主面に、第1金属膜42aを形成する。例えばスパッタ法により、Cr、Cu、Au、Al又はNi等のスパッタ金属膜を形成する、あるいは無電解めっき法により、Au、Cu又はNi等の電解めっき層を形成する。
A manufacturing method of the
その後、ステップS3において、第1金属膜42aの一主面に第2金属膜42bを形成する。例えばスパッタ法により、Cr、Cu、Au、Al又はNi等のスパッタ金属膜を形成する、あるいは電解めっき法により、Au、Cu又はNi等の電解めっき層を形成する。これにより、圧電体12の一主面に、金属膜による2層構造の振動板14が形成される。
Thereafter, in step S3, a
一方、ステップS4において、支持部16及び錘部18の構成材料である例えば円柱形のガラス板44を準備する。その後、ステップS5において、ブラスト法によって、環状溝46を有するガラス構成体48を作製する。すなわち、ガラス板44の一主面に環状の開口を有するマスクを取り付けた後、該一主面に向けて鋼材や砂等の微粒子を吹き付けて、ガラス板44のうち、開口から露出する部分を一定深さまで除去することによって、環状溝46を有するガラス構成体48を作製する。このガラス構成体48は、外周に位置する支持部16と、中央に位置する錘部18とが、その間の連結部50によって一体化された構成を有する。
On the other hand, in step S4, for example, a
ステップS6において、振動板14の表面と、ガラス構成体48の端面(支持部16及び錘部18の端面)とをそれぞれ研磨処理して、振動板14の端面とガラス構成体48の端面の各ラフネスをRMS(二乗平均粗さ)で1nm以下にする。
In step S <b> 6, the surface of the
ステップS7において、振動板14の端面と、ガラス構成体48の端面を活性化(例えばイオンビーム照射によるダングリングボンドの形成等)した後、振動板14の端面と、ガラス構成体48の端面とを密着させ、高真空(0.1〜10−5Pa)中で、且つ、常温で、さらに、荷重(例えば0.2〜1.0Nmm−2)を加えることで、直接接合する。このとき、振動板14と支持部16及び錘部18との境界部分に、第2金属膜42bとガラス構成体48との常温接合による第1接合領域40aが形成される。
In step S7, after activating the end face of the
その後、ステップS8において、例えばブラストエッチング(もしくは研磨)により、ガラス構成体48の連結部50をエッチング除去して、支持部16と錘部18を分離する。その後、図5に示すように、圧電体12の他主面12bに上部電極20(第1上部電極20a〜第5上部電極20e)を形成する。例えばスパッタ法により、Ag、Cu、Au、Al又はNi等のスパッタ金属膜を形成して上部電極20とする。これによって、第1センシング素子10Aが完成する。
Thereafter, in step S8, the connecting
この第1センシング素子10Aにおいては、振動板14自体が下部電極22、第1接合層24a及び第2接合層24bを兼用しているため、別途第1接合層24a及び第2接合層24bを形成する必要がない。しかも、振動板14と錘部18との境界に存する第1接合領域40aは、第2金属膜42bとガラス構成体48との常温接合によるものであるから、実質的に第2金属膜42bが接合層として機能し、該接合層の損失係数は圧電体12よりも低い。従って、圧電体12に発生した振動をより効率よく錘部18に伝えることができる。その結果、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができる。
In the
次に、第2の具体例に係るセンシング素子(以下、第2センシング素子10Bと記す)は、図7に示すように、振動板14が金属と金属酸化物とで構成され、支持部16及び錘部18がそれぞれ金属以外の無機材で構成されている。この場合も、第1センシング素子10Aと同様に、振動板14を構成する金属膜が、下部電極22を兼ねている。振動板14と支持部16及び錘部18との境界部分には、金属酸化物と無機材(例えばガラス)との常温接合による第2接合領域40bが形成されている。
Next, as shown in FIG. 7, the sensing element according to the second specific example (hereinafter referred to as the
具体的には、振動板14は、金属膜52と金属酸化膜54による2層構造(積層体)となっており、圧電体12側の金属膜52として、例えばAl等の金属膜を使用することができ、支持部16及び錘部18側の金属酸化膜54として、例えばTiO(酸化チタン)等の金属酸化膜を使用することができる。
Specifically, the
第2センシング素子10Bの製造方法について図8を参照しながら説明する。先ず、図8のステップS101において、圧電体12を作製する。その後、ステップS102において、圧電体12の一主面に、金属膜52を形成する。例えばスパッタ法により、Al等のスパッタ金属膜を形成する。
A method for manufacturing the
その後、ステップS103において、金属膜52の一主面に金属酸化膜54を形成する。例えばスパッタ法により、TiO等のスパッタ金属酸化膜を形成する。これにより、圧電体12の一主面に、金属膜52と金属酸化膜54による2層構造の振動板14が形成される。
Thereafter, in step S103, a
ステップS104以降の工程は、上述した第1センシング素子10Aの製造方法におけるステップS4〜ステップS8とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップS104において、例えば円柱形のガラス板44を準備し、ステップS105において、ブラスト法によって、環状溝46を有するガラス構成体48を作製し、ステップS106において、振動板14の端面と、ガラス構成体48の端面(支持部16及び錘部18の端面)とをそれぞれ研磨処理し、ステップS107において、振動板14の端面と、ガラス構成体48の端面とを対向密着させ、高真空(0.1〜10−5Pa)中で、且つ、常温で、さらに、荷重(例えば0.2〜1.0Nmm−2)を加えることで、直接接合する。このとき、振動板14と支持部16及び錘部18との境界部分に、金属酸化膜54とガラス構成体48との常温接合による第2接合領域40bが形成される。
Since the process after step S104 is substantially the same as step S4 to step S8 in the manufacturing method of the
その後、ステップS108において、ガラス構成体48の連結部50をエッチング(ブラストもしくは研磨)除去して、支持部16と錘部18を分離する。その後、図7に示すように、圧電体12の他主面12bに上部電極20(第1上部電極20a〜第5上部電極20e:図1A参照)を形成して、第2センシング素子10Bが完成する。
Thereafter, in step S108, the connecting
この第2センシング素子10Bにおいても、振動板14自体が下部電極22、第1接合層24a及び第2接合層24bを兼用しているため、別途第1接合層24a及び第2接合層24bを形成する必要がない。しかも、振動板14と錘部18との境界に存する第2接合領域40bは、金属酸化膜54とガラス構成体48との常温接合によるものであるから、実質的に金属酸化膜54が接合層として機能し、該接合層の損失係数は圧電体12よりも低い。従って、圧電体12に発生した振動をより効率よく錘部18に伝えることができる。
Also in this
次に、第3の具体例に係るセンシング素子(以下、第3センシング素子10Cと記す)は、図9に示すように、上述した第1センシング素子10Aとほぼ同様の構成を有するが、振動板14と支持部16及び錘部18との境界部分に、金属と無機材(例えばガラス)との拡散接合による第3接合領域40cが形成されている点で異なる。振動板14の構成は、第1センシング素子10Aと同じであるため、その重複説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 9, the sensing element according to the third specific example (hereinafter referred to as the third sensing element 10C) has substantially the same configuration as the
第3センシング素子10Cの製造方法について図10を参照しながら説明する。先ず、図10のステップS201〜ステップS206に示す工程は、上述した第1センシング素子10Aの製造方法におけるステップS1〜ステップS6に示す工程とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップS201において、圧電体12を作製し、ステップS202において、圧電体12の一主面に第1金属膜42aを形成し、ステップS203において、第1金属膜42aの一主面に第2金属膜42bを形成して、金属膜による2層構造の振動板14を形成する。その後、ステップS204において、例えば円柱形のガラス板44を準備し、ステップS205において、ブラスト法によって、環状溝46を有するガラス構成体48を作製し、ステップS206において、振動板14の端面と、ガラス構成体48の端面(支持部16及び錘部18の端面)とをそれぞれ研磨処理する。
A method for manufacturing the third sensing element 10C will be described with reference to FIG. First, since the process shown in step S201 to step S206 in FIG. 10 is substantially the same as the process shown in step S1 to step S6 in the manufacturing method of the
そして、ステップS207において、振動板14の端面と、ガラス構成体48の端面とを対向密着させ、最高温度400℃の高温下で、さらに、荷重(例えば0.2〜3.0Nmm−2)を加えることで、拡散接合する。振動板14とガラス構成体48(支持部16及び錘部18となる部分)とを密着させて荷重と熱を加えることにより、振動板14とガラス構成体48との接合面で原子の拡散が起こり接合される。このとき、振動板14の第2金属膜42bと支持部16及び錘部18の無機材との拡散接合による第3接合領域40cが形成される。
In step S207, the end face of the
その後、ステップS208に示すように、ガラス構成体48の連結部50をエッチング(ブラストもしくは研磨)除去して、支持部16と錘部18を分離し、さらに、図9に示すように、圧電体12の他主面12bに上部電極20(第1上部電極20a〜第5上部電極20e:図1A参照)を形成することで、第3センシング素子10Cが完成する。
Thereafter, as shown in step S208, the connecting
この第3センシング素子10Cにおいても、振動板14自体が下部電極22、第1接合層24a及び第2接合層24bを兼用しているため、別途第1接合層24a及び第2接合層24bを形成する必要がない。しかも、振動板14と錘部18との境界に存する第3接合領域40cは、第2金属膜42bとガラス構成体48との拡散接合によるものであるから、実質的に第2金属膜42bが接合層として機能し、該接合層の損失係数は圧電体12よりも低い。従って、圧電体12に発生した振動をより効率よく錘部18に伝えることができる。
Also in the third sensing element 10C, since the
次に、第4の具体例に係るセンシング素子(以下、第4センシング素子10Dと記す)は、図11に示すように、圧電体12と、下部電極22を構成する第3金属膜42cと、振動板14を構成する金属酸化物とが焼成一体化されて1つの焼成体56として構成されている。焼成体56の一主面には接合層としての第4金属膜42dが形成されている。また、支持部16及び錘部18がそれぞれ金属以外の無機材で構成されている。さらに、振動板14と支持部16及び錘部18との境界部分には、第4金属膜42dと無機材(例えばガラス)との拡散接合による第4接合領域40dが形成されている。
Next, as shown in FIG. 11, the sensing element according to the fourth specific example (hereinafter referred to as a
1つの焼成体56を構成する第3金属膜42cとして、例えばAu等の金属膜を使用することができ、同じく焼成体56を構成する金属酸化物(振動板14)として、例えばAl2O3(アルミナ)等の金属酸化膜を使用することができ、焼成体56の一主面に形成される第4金属膜42dとして、例えばAu等の金属膜を使用することができる。
As the
第4センシング素子10Dの製造方法について図12を参照しながら説明する。先ず、図12のステップS301に示すように、グリーンシートを成形して圧電成形体58(焼成前の圧電体12の前駆体)を作製する。ステップS302に示すように、振動板14を構成するアルミナ製のグリーンシート60の一主面に、下部電極22を構成する第3金属膜42cを形成する。例えばPtの有機金属化合物(レジネート)によるペーストを塗布する。その後、ステップS303において、第3金属膜42c上に圧電成形体58を重ねて、高温(900〜1600℃)で焼成して、圧電体12と、下部電極22を構成する第3金属膜42cと、振動板14を構成する金属酸化物とが焼成一体化された1つの焼成体56を作製する。その後、ステップS304において、焼成体56の一主面に第4金属膜42dを形成する。例えばスパッタ法により、Au等のスパッタ金属膜を形成する。
A method for manufacturing the
ステップS305〜ステップS307に示す工程は、上述した第3センシング素子10Cの製造方法におけるステップS204〜ステップS206とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップS305において、例えば円柱形のガラス板44を準備し、ステップS306において、ブラスト法によって、環状溝46を有するガラス構成体48を作製し、ステップS307において、第4金属膜42dの端面と、ガラス構成体48の端面(支持部16及び錘部18の端面)とをそれぞれ研磨処理する。
The processes shown in steps S305 to S307 are substantially the same as steps S204 to S206 in the method of manufacturing the third sensing element 10C described above, and thus redundant description thereof is omitted. However, in step S305, for example, cylindrical glass The
そして、ステップS308において、振動板14の端面に形成された第4金属膜42dと、ガラス構成体48の端面とを対向密着させ、最高温度400℃の高温下で、さらに、荷重(例えば0.2〜3.0Nmm−2)を加えることで、拡散接合する。このとき、第4金属膜42dと支持部16及び錘部18の無機材との拡散接合による第4接合領域40dが形成される。
In step S308, the
その後、ステップS309において、ガラス構成体48の連結部50をエッチング(ブラストもしくは研磨)除去して、支持部16と錘部18を分離し、さらに、図11に示すように、圧電体12の他主面12bに上部電極20(第1上部電極20a〜第5上部電極20e:図1A参照)を形成することで、第4センシング素子10Dが完成する。
Thereafter, in step S309, the connecting
この第4センシング素子10Dにおいては、圧電体12、下部電極22及び振動板14が1つの焼成体56にて構成されているため、第1接合層24aの形成が不要となる。しかも、第4接合領域40dは、振動板14下の第4金属膜42dとガラス構成体48との拡散接合によるものであるから、実質的に第4金属膜42dが第2接合層24bとして機能し、該接合層の損失係数は圧電体12よりも低い。従って、圧電体12に発生した振動をより効率よく錘部18に伝えることができる。
In the
次に、第5の具体例に係るセンシング素子(以下、第5センシング素子10Eと記す)は、図13に示すように、振動板14が金属で構成され、支持部16及び錘部18がそれぞれ金属以外の無機材で構成されている。この場合も、第1センシング素子10Aと同様に、振動板14を構成する金属膜が、下部電極22を兼ねている。振動板14と支持部16及び錘部18との間には、振動板14の端面に形成された金属膜と、支持部16及び錘部18の端面に形成された金属膜との共晶接合による第5接合領域40eが形成されている。
Next, in the sensing element according to the fifth specific example (hereinafter referred to as the
具体的には、振動板14は、例えば第5金属膜42eと第6金属膜42fによる多層構造となっており、圧電体12側の第5金属膜42eとして、例えばCr(圧電体側)/AuあるいはTi(圧電体側)/Auの2層構造のスパッタ金属膜、又はTiN(窒化チタン:圧電体側)/Cu(中間層)/Auの3層構造のスパッタ金属膜を使用し、支持部16及び錘部18側の第6金属膜42fとして、例えばCu又はAuのめっき層を使用することができる。
Specifically, the
また、振動板14の端面に形成される共晶接合のための第7金属膜42gとして、例えばAuのスパッタ金属膜を使用し、支持部16及び錘部18の端面に形成される共晶接合のための第8金属膜42hとして、例えばCr(支持部側及び錘部側)/Auの2層構造のスパッタ金属膜に、Au(スパッタ金属膜側)/Sn(スズ)の2層構造のめっき層を積層した多層構造の金属膜を使用することができる。
Further, as the
第5センシング素子10Eの製造方法について図14を参照しながら説明する。先ず、図14のステップS401において、グリーンシートを成形した後、焼成をして圧電体12を作製する。その後、ステップS402において、圧電体12の一主面に、第5金属膜42eを形成する。例えばCr/Au、Ti/Au、又はTiN/Cu/Auのスパッタ金属膜を形成する。その後、ステップS403において、第5金属膜42eの一主面に、第6金属膜42fを形成する。例えば電解めっき法により、Cu又はAu等の電解めっき層を形成する。これにより、圧電体12の一主面に、第5金属膜42eと第6金属膜42fによる多層構造の振動板14が形成される。
A method for manufacturing the
一方、ステップS404において、例えば円柱形のガラス板44を準備した後、ステップS405において、ブラスト法によって、環状溝46を有するガラス構成体48を作製する。
On the other hand, after preparing a
その後、ステップS406において、振動板14の端面に、第7金属膜42gを形成し、ガラス構成体48の端面(支持部16及び錘部18の端面)に第8金属膜42hを形成する。具体的には、振動板14の端面に、例えばAuのスパッタ金属膜を形成し、ガラス構成体48の端面に、例えばCr/Auのスパッタ金属膜を形成した後、該スパッタ金属膜上に、Au/Snのめっき層を積層する。
Thereafter, in step S406, the
そして、ステップS407において、振動板14の端面に形成された第7金属膜42gと、ガラス構成体48の端面に形成された第8金属膜42hとを対向密着させ、最高温度350℃の高温下で、さらに、荷重(例えば0.2〜3.0Nmm−2)を加えることで、共晶接合する。共晶接合は、金属の液化における共晶反応を利用した液相拡散接合である。すなわち、金属膜の融点以下の温度条件で、塑性変形ができるだけ生じない程度に加圧して、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合する。このとき、第7金属膜42gと第8金属膜42hとの境界部分に、金属同士の共晶接合による第5接合領域40eが形成される。
In step S407, the
その後、ステップS408において、ガラス構成体48の連結部50をエッチング(ブラストもしくは研磨)除去して、支持部16と錘部18を分離する。その後、図13に示すように、圧電体12の他主面12bに上部電極20(第1上部電極20a〜第5上部電極20e:図1A参照)を形成して、第5センシング素子10Eが完成する。
Thereafter, in step S408, the connecting
この第5センシング素子10Eにおいても、振動板14の金属膜が下部電極22を兼用しているため、第1接合層24aの形成が不要となる。しかも、第5接合領域40eは、振動板14下の第7金属膜42gとガラス構成体48上の第8金属膜42hとの共晶接合によるものであるから、実質的に第7金属膜42g及び第8金属膜42hが第2接合層24bとして機能し、該接合層の損失係数は圧電体12よりも低い。従って、圧電体12に発生した振動をより効率よく錘部18に伝えることができる。
Also in the
次に、第6の具体例に係るセンシング素子(以下、第6センシング素子10Fと記す)は、図15に示すように、第4センシング素子10Dとほぼ同様の構成を有するが、振動板14の端面に形成された第9金属膜42iと、支持部16及び錘部18の端面に形成された第10金属膜42jとの共晶接合による第6接合領域40fが形成されている点で異なる。
Next, the sensing element according to the sixth specific example (hereinafter referred to as the
上述した第5センシング素子10Eの場合と同様に、第9金属膜42iとして、例えばAuのスパッタ金属膜を使用し、第10金属膜42jとして、例えばCr/Auの2層構造のスパッタ金属膜に、Au/Snの2層構造のめっき層を積層した多層構造の金属膜を使用することができる。
As in the case of the
第6センシング素子10Fの製造方法について図16を参照しながら説明する。先ず、図16のステップS501〜ステップS503に示す工程は、上述した第4センシング素子10Dの製造方法におけるステップS301〜ステップS303とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップS501において、グリーンシートを成形して圧電成形体58を作製し、ステップS502において、振動板14を構成するアルミナ製のグリーンシートの一主面に、下部電極22を構成する第3金属膜42cを形成し、ステップS503において、第3金属膜42c上に圧電成形体58を重ねて、高温で焼成して、圧電体12と、下部電極22を構成する第3金属膜42cと、振動板14を構成する金属酸化物とが焼成一体化された1つの焼成体56を作製する。
A method for manufacturing the
ステップS504〜ステップS508に示す工程は、上述した第5センシング素子10Eの製造方法におけるステップS404〜ステップS408とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップS504において、例えば円柱形のガラス板44を準備し、ステップS505において、ブラスト法によって、環状溝46を有するガラス構成体48を作製し、ステップS506において、振動板14の端面に、第9金属膜42iを形成し、ガラス構成体48の端面(支持部16及び錘部18の端面)に第10金属膜42jを形成する。具体的には、振動板14の端面に、例えばAuのスパッタ金属膜を形成し、ガラス構成体48の端面に、例えばCr/Auのスパッタ金属膜を形成した後、該スパッタ金属膜上に、Au/Snのめっき層を積層する。
The processes shown in steps S504 to S508 are substantially the same as steps S404 to S408 in the above-described method for manufacturing the
そして、ステップS507において、振動板14の端面に形成された第9金属膜42iと、ガラス構成体48の端面に形成された第10金属膜42jとを対向密着させ、最高温度350℃の高温下で、さらに、荷重を加えることで、共晶接合する。このとき、第9金属膜42iと第10金属膜42jとの境界部分に、金属同士の共晶接合による第6接合領域40fが形成される。
Then, in step S507, the
その後、ステップS508において、ガラス構成体48の連結部50をエッチング(ブラストもしくは研磨)除去して、支持部16と錘部18を分離する。その後、図15に示すように、圧電体12の他主面12bに上部電極20(第1上部電極20a〜第5上部電極20e:図1A参照)を形成して、第6センシング素子10Fが完成する。
Thereafter, in step S508, the connecting
この第6センシング素子10Fにおいては、圧電体12、下部電極22及び振動板14が1つの焼成体56にて構成されているため、第1接合層24aの形成が不要となる。しかも、第6接合領域40fは、振動板14下の第9金属膜42iとガラス構成体48上の第10金属膜42jとの共晶接合によるものであるから、実質的に第9金属膜42i及び第10金属膜42jが第2接合層24bとして機能し、該接合層の損失係数は圧電体12よりも低い。従って、圧電体12に発生した振動をより効率よく錘部18に伝えることができる。
In the
次に、第7の具体例に係るセンシング素子(以下、第7センシング素子10Gと記す)は、図17に示すように、上述した第1センシング素子10Aとほぼ同様の構成を有するが、振動板14と支持部16及び錘部18とがろう材64を介して接合されている点で異なる。
Next, the sensing element according to the seventh specific example (hereinafter referred to as the
振動板14を構成する第1金属膜42aとして、Au又はCu等のスパッタ金属膜を使用し、第2金属膜42bとして、Cu又はAu等の電解めっき層を使用することができる。また、ろう材として、例えば活性元素を含むろう材を使用してもよい。活性元素は、Mg、Sr、Ca、Ba、Be等の周期律表第2A族、Ce等の第3A族、Ti、Zr等の第4A族、又は、Nb等の第5A族、B、Si等の第4B族に属する元素のうちの少なくとも1つを使用することができる。この第7センシング素子10Gでは、ろう材として、Ag−Cu−In−Tiを使用した。
A sputtered metal film such as Au or Cu can be used as the
第7センシング素子10Gの製造方法について図18を参照しながら説明する。先ず、図18のステップS601〜ステップS603に示す工程は、上述した第1センシング素子10Aの製造方法におけるステップS1〜ステップS3とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップS601において、圧電体12を作製し、ステップS602において、圧電体12の一主面に第1金属膜42aを形成し、ステップS603において、第1金属膜42aの一主面に第2金属膜42bを形成して、金属膜による2層構造の振動板14を形成する。
A method for manufacturing the
そして、ステップS604において、振動板14の端面に、ろう材64を形成する。
In step S604, the
その後、ステップS605において、例えば円柱形のガラス板44を準備し、ステップS606において、ブラスト法によって、環状溝46を有するガラス構成体48を作製する。
Thereafter, in step S605, for example, a
ステップS607において、振動板14の端面に形成されたろう材64と、ガラス構成体48の端面(支持部16及び錘部18の端面)とを対向密着させ、最高温度800℃の高温下で、さらに、荷重を加えることで、振動板14と支持部16及び錘部18とをろう材64を介して接合する。
In step S607, the
その後、ステップS608において、ガラス構成体48の連結部50をエッチング除去して、支持部16と錘部18を分離する。その後、図17に示すように、圧電体12の他主面12bに上部電極20(第1上部電極20a〜第5上部電極20e:図1A参照)を形成して、第7センシング素子10Gが完成する。
Thereafter, in step S608, the connecting
この第7センシング素子10Gにおいては、振動板14自体が下部電極22、第1接合層24aを兼用しているため、第1接合層24aの形成が不要となる。しかも、ろう材64が第2接合層24bとして機能し、該接合層の損失係数は圧電体12よりも低い。従って、圧電体12に発生した振動をより効率よく錘部18に伝えることができる。
In the
[第1実施例]
実施例1〜7及び比較例について、X軸方向の振動Sxを与えた状態で、Z軸方向に作用するコリオリ力Fzを検出する実験を行い、振動Sxの周波数の違いによる検出感度の変化を確認した。
[First embodiment]
About Examples 1-7 and a comparative example, in the state which gave vibration Sx of the X-axis direction, an experiment which detects Coriolis force Fz which acts on the Z-axis direction was performed, and a change in detection sensitivity due to a difference in frequency of vibration Sx confirmed.
(実施例1〜7)
実施例1に係るセンシング素子は、図5に示す第1センシング素子10Aと同様の構成を有し、実施例2に係るセンシング素子は、図7に示す第2センシング素子10Bと同様の構成を有し、実施例3に係るセンシング素子は、図9に示す第3センシング素子10Cと同様の構成を有する。また、実施例4に係るセンシング素子は、図11に示す第4センシング素子10Dと同様の構成を有し、実施例5に係るセンシング素子は、図13に示す第5センシング素子10Eと同様の構成を有し、実施例6に係るセンシング素子は、図15に示す第6センシング素子10Fと同様の構成を有し、実施例7に係るセンシング素子は、図17に示す第7センシング素子10Gと同様の構成を有する。
(Examples 1-7)
The sensing element according to Example 1 has the same configuration as the
実施例1〜7に係るセンシング素子は共に、圧電体12の厚みtaを20μm、振動板14の厚みtbを16μmにして、中立軸34が振動板14側に位置するように設定した。膜厚比(tb/ta)は0.8である。
In each of the sensing elements according to Examples 1 to 7, the thickness ta of the
そして、例えば図1Aに示すように、第3上部電極20cと下部電極22との間、及び第2上部電極20bと下部電極22との間に、それぞれ交流電源を接続し、第1上部電極20aと下部電極22間に電荷/電圧変換回路を接続した。電荷/電圧変換回路は、第1上部電極20aに発生する電荷量を、下部電極22の電位を基準電位(例えば接地電位)としたときの電圧値、すなわち、コリオリ力Fzの検出値に変換する回路である。
Then, for example, as shown in FIG. 1A, an AC power source is connected between the third
そして、実施例1〜6に係るセンシング素子を、Y軸を回転軸として一定の角速度で回転運動させる。角速度は予め設定された既知の値であり、従って、Z軸方向に作用するコリオリ力Fzもわかっている。この予め判明しているコリオリ力Fzを基準値とする。この状態で、第3上部電極20cと下部電極22との間、及び第2上部電極20bと下部電極22との間に、それぞれ逆位相の交流電圧(周波数fa、振幅A)を印加して、錘部18をX軸方向に励振した状態にし、このとき電荷/電圧変換回路から出力される電圧値からZ軸方向に作用するコリオリ力Fz(測定値)を検出した。このときの検出感度を、下記式(1)に基づいて、測定値と基準値との比の対数を10倍にして表した(デシベル表記)。
検出感度[dB]=10log10(測定値/基準値) ……(1)
Then, the sensing elements according to Examples 1 to 6 are rotated at a constant angular velocity with the Y axis as the rotation axis. The angular velocity is a known value set in advance, and therefore the Coriolis force Fz acting in the Z-axis direction is also known. This Coriolis force Fz that has been found in advance is used as a reference value. In this state, an alternating voltage (frequency fa, amplitude A) having an opposite phase is applied between the third
Detection sensitivity [dB] = 10 log 10 (measured value / reference value) (1)
上述と同様にして、交流電圧(周波数fb(>fa)、振幅A)を印加した場合のコリオリ力Fz(測定値)を検出し、このときの検出感度を式(1)に基づいて求めた。 In the same manner as described above, the Coriolis force Fz (measured value) when an AC voltage (frequency fb (> fa), amplitude A) is applied is detected, and the detection sensitivity at this time is obtained based on Equation (1). .
振動Sxの周波数fa及びfbによる実施例1の検出感度の違いを図19AのプロットA1及びA2に示す。同様に、実施例2の検出感度の違いを図19BのプロットB1及びB2に示し、実施例3の検出感度の違いを図20AのプロットC1及びC2に示し、実施例4の検出感度の違いを図20BのプロットD1及びD2に示し、実施例5の検出感度の違いを図21AのプロットE1及びE2に示し、実施例6の検出感度の違いを図21BのプロットF1及びF2に示し、実施例7の検出感度の違いを図21CのプロットG1及びG2に示す。 Differences in detection sensitivity of Example 1 depending on the frequencies fa and fb of the vibration Sx are shown in plots A1 and A2 in FIG. 19A. Similarly, the difference in detection sensitivity in Example 2 is shown in plots B1 and B2 in FIG. 19B, the difference in detection sensitivity in Example 3 is shown in plots C1 and C2 in FIG. 20A, and the difference in detection sensitivity in Example 4 is shown. The difference in detection sensitivity of Example 5 is shown in plots E1 and E2 in FIG. 21A, and the difference in detection sensitivity of Example 6 is shown in plots F1 and F2 in FIG. 21B. 7 shows the difference in detection sensitivity in plots G1 and G2 in FIG. 21C.
図19A〜図21Cからわかるように、実施例1は、周波数faの振動を加えた場合の検出感度(以下、検出感度(周波数fa)と記す)が−2.5[dB]であり、周波数fb(>fa)の振動を加えた場合の検出感度(以下、検出感度(周波数fb)と記す)が−3.0[dB]であった。実施例2は、検出感度(周波数fa)が−2.7[dB]、検出感度(周波数fb)が−3.2[dB]であった。実施例3は、検出感度(周波数fa)が−2.5[dB]、検出感度(周波数fb)が−3.0[dB]であった。実施例4は、検出感度(周波数fa)が−2.8[dB]、検出感度(周波数fb)が−3.3[dB]であった。実施例5は、検出感度(周波数fa)が−2.5[dB]、検出感度(周波数fb)が−3.0[dB]であった。実施例6は、検出感度(周波数fa)が−2.9[dB]、検出感度(周波数fb)が−3.4[dB]であった。実施例7は、検出感度(周波数fa)が−3.0[dB]、検出感度(周波数fb)が−3.5[dB]であった。 As can be seen from FIG. 19A to FIG. 21C, in Example 1, the detection sensitivity (hereinafter referred to as detection sensitivity (frequency fa)) when vibration of the frequency fa is applied is −2.5 [dB], and the frequency The detection sensitivity (hereinafter referred to as detection sensitivity (frequency fb)) when vibration of fb (> fa) was applied was −3.0 [dB]. In Example 2, the detection sensitivity (frequency fa) was −2.7 [dB], and the detection sensitivity (frequency fb) was −3.2 [dB]. In Example 3, the detection sensitivity (frequency fa) was −2.5 [dB], and the detection sensitivity (frequency fb) was −3.0 [dB]. In Example 4, the detection sensitivity (frequency fa) was −2.8 [dB], and the detection sensitivity (frequency fb) was −3.3 [dB]. In Example 5, the detection sensitivity (frequency fa) was −2.5 [dB], and the detection sensitivity (frequency fb) was −3.0 [dB]. In Example 6, the detection sensitivity (frequency fa) was −2.9 [dB], and the detection sensitivity (frequency fb) was −3.4 [dB]. In Example 7, the detection sensitivity (frequency fa) was −3.0 [dB], and the detection sensitivity (frequency fb) was −3.5 [dB].
(比較例1)
比較例1に係るセンシング素子100は、図22A及び図22Bに示すように、図1A及び図1Bに示す本実施の形態に係るセンシング素子10と同様の構成を有するが、下部電極22と振動板14との接合を第1有機接着層102aで行い、振動板14と支持部16及び錘部18の接合を第2有機接着層102bで行った点で異なる。第1有機接着層102a及び第2有機接着層102bの損失係数は共に、圧電体12の損失係数の約10倍である。
(Comparative Example 1)
As shown in FIGS. 22A and 22B, the
そして、比較例1においても、上述した実施例1〜7と同様に、周波数faの振動を加えた場合のコリオリ力Fzの検出感度と、周波数faの振動を加えた場合のコリオリ力Fzの検出感度を求めた。振動Sxの周波数fa及びfbによる比較例1の検出感度の違いを図23のプロットR1及びR2に示す。周波数faの振動を加えた場合の検出感度は−10.0[dB]であり、周波数fbの振動を加えた場合の検出感度は−32.0[dB]であった。 And also in the comparative example 1, similarly to Examples 1-7 mentioned above, the detection sensitivity of the Coriolis force Fz when the vibration of the frequency fa is applied, and the detection of the Coriolis force Fz when the vibration of the frequency fa is applied Sensitivity was determined. Differences in detection sensitivity of Comparative Example 1 depending on the frequencies fa and fb of the vibration Sx are shown in plots R1 and R2 in FIG. The detection sensitivity when the vibration with the frequency fa was applied was -10.0 [dB], and the detection sensitivity when the vibration with the frequency fb was applied was -32.0 [dB].
<考察>
図19A〜図21C及び図23の結果から、実施例1〜7は共に、高い検出感度を得ることができ、しかも、検出感度が振動Sxの周波数にほとんど依存しないことがわかる。これは、第1接合層24aを省略した構成あるいは第1接合層24a及び第2接合層24bを省略した構成であることと、第2接合層24bあるいは接合層として機能する層の損失係数が圧電体12の損失係数以下であり、従って、センシング素子全体の損失係数が小さく、振動の周波数に関わらずセンシング素子を容易に共振できていることによるものと考えられる。従って、実施例1〜7は、比較例1と比してコリオリ力の検出精度(角速度の検出精度)が向上していることは明らかである。
<Discussion>
From the results of FIGS. 19A to 21C and FIG. 23, it can be seen that both Examples 1 to 7 can obtain high detection sensitivity, and the detection sensitivity hardly depends on the frequency of the vibration Sx. This is because the
[第2実施例]
実施例11〜14について、圧電体12の厚みtaを一定(20μm)にして、振動板14の厚みtbを変化させた場合の検出感度の違いを確認した。実施例11〜14は、上述した実施例1(図5に示す第1センシング素子10A)と同様の構成を有する。
[Second Embodiment]
Regarding Examples 11 to 14, the difference in detection sensitivity was confirmed when the thickness ta of the
(実施例11)
実施例11は、振動板14の厚みtbを10μmにして、膜厚比(tb/ta)を0.5としたこと以外は、上述した実施例1と同様の構成を有する。
(Example 11)
Example 11 has the same configuration as that of Example 1 described above except that the thickness tb of the
(実施例12)
実施例12は、振動板14の厚みtbを20μmにして、膜厚比(tb/ta)を1.0としたこと以外は、上述した実施例1と同様の構成を有する。
(Example 12)
Example 12 has the same configuration as that of Example 1 described above except that the thickness tb of the
(実施例13、14)
実施例13及び14は、振動板14の厚みtbを30μm及び40μmにして、膜厚比(tb/ta)を1.5及び2.0としたこと以外は、それぞれ上述した実施例1と同様の構成を有する。
(Examples 13 and 14)
Examples 13 and 14 are the same as Example 1 described above, except that the thickness tb of the
<評価>
上述した第1実施例と同様に、第3上部電極20cと下部電極22との間、及び第2上部電極20bと下部電極22の間に、それぞれ交流電源を接続し、第1上部電極20aと下部電極22間に電荷/電圧変換回路を接続した。
<Evaluation>
As in the first embodiment, an AC power source is connected between the third
そして、上述した実施例1と同様に、実施例11〜14に係るセンシング素子を、Y軸を回転軸として一定の角速度(既知)で回転運動させ、この状態で、第3上部電極20cと下部電極22との間、及び第2上部電極20bと下部電極22との間に、それぞれ逆位相の交流電圧(周波数fa、振幅A)を印加して、錘部18をX軸方向に励振した状態にし、このとき電荷/電圧変換回路から出力される電圧値からZ軸方向に作用するコリオリ力Fz(測定値)を検出し、このときの検出感度を上述した式(1)に基づいて求めた。
Then, similarly to the above-described first embodiment, the sensing elements according to the eleventh to fourteenth embodiments are rotated at a constant angular velocity (known) with the Y axis as a rotation axis. In this state, the third
実施例11〜14の内訳及び検出感度の結果を下記表2に示す。 The breakdown of Examples 11 to 14 and the results of detection sensitivity are shown in Table 2 below.
<考察>
振動板14の厚みtbが基準厚みtc以上である実施例12、13及び14は、それぞれ検出感度が−1.39[dB]、−0.56[dB]及び−1.19[dB]と良好であった。特に、膜厚比(tb/ta)が1.5である実施例13は、検出感度が−0.56[dB]であり、最も良好であった。一方、実施例11は、−4.54[dB]で、上述した第1実施例の比較例よりも良好であったが、実施例12〜14よりは検出感度が低くかった。これは、振動板14の厚みtbが基準厚みtcよりも小さいことから、圧電体12において圧縮応力と引張応力が混在し、また、圧縮応力と引張応力とが打ち消し合う部分もあるため、上部電極20に印加される交流電圧の周波数及び振幅に応じた振動が忠実に錘部18に伝達されなかったことによるものと考えられる。
<Discussion>
In Examples 12, 13, and 14 in which the thickness tb of the
なお、本発明に係るセンシング素子は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 The sensing element according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can of course have various configurations without departing from the gist of the present invention.
10…センシング素子
10A〜10G…第1センシング素子〜第7センシング素子
12…圧電体 14…振動板
16…支持部 18…錘部
20…上部電極
20a〜20e…第1上部電極〜第5上部電極
22…下部電極 24a…第1接合層
24b…第2接合層 32…梁
34…中立軸 36…中立面
40a〜40f…第1接合領域〜第6接合領域
42a〜42j…第1金属膜〜第10金属膜
48…ガラス構成体 52…金属膜
54…金属酸化膜 56…焼成体
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記圧電体の一方の主面に対向して設けられた振動板と、
前記振動板の一方の主面に対向して設けられた錘部と、
前記圧電体に接して設けられた上部電極及び下部電極と、
少なくとも前記振動板と前記錘部との間に設けられた接合層とを有し、
弾性係数E’及び損失弾性係数E’’の比(E’’/E’)で表される損失係数について、前記接合層及び前記振動板の損失係数が前記圧電体の損失係数以下であり、
前記圧電体の厚みと前記振動板の厚みは、前記圧電体と前記振動板とで構成される梁を曲げた際の材料力学上の中立軸が前記振動板側に位置するように規定されていることを特徴とするセンシング素子。 A piezoelectric body;
A diaphragm provided to face one main surface of the piezoelectric body;
A weight portion provided to face one main surface of the diaphragm;
An upper electrode and a lower electrode provided in contact with the piezoelectric body;
At least a bonding layer provided between the diaphragm and the weight portion;
For it represented the loss factor by a ratio of elastic modulus E 'and loss modulus E''(E''/E'), loss factor of the bonding layer and the vibration plate Ri der loss factor less of the piezoelectric ,
The thickness of the piezoelectric body and the thickness of the diaphragm are defined so that a neutral axis in material mechanics when a beam composed of the piezoelectric body and the diaphragm is bent is positioned on the diaphragm side. A sensing element characterized by comprising:
前記中立軸が前記圧電体と前記振動板との境界部分に位置するときの前記振動板の厚みを基準厚みとしたとき、
前記振動板の厚みは前記基準厚み以上であることを特徴とするセンシング素子。 The sensing element according to claim 1 ,
When the thickness of the diaphragm when the neutral axis is located at a boundary portion between the piezoelectric body and the diaphragm is a reference thickness,
The sensing element according to claim 1, wherein a thickness of the diaphragm is equal to or greater than the reference thickness.
前記接合層及び前記振動板の損失係数が100×10−4以下であることを特徴とするセンシング素子。 The sensing element according to claim 1 or 2 ,
The sensing element, wherein the bonding layer and the diaphragm have a loss coefficient of 100 × 10 −4 or less.
前記接合層が無機材で構成されていることを特徴とするセンシング素子。 In the sensing element according to any one of claims 1 to 3 ,
The sensing element, wherein the bonding layer is made of an inorganic material.
前記接合層が金属で構成されていることを特徴とするセンシング素子。 The sensing element according to claim 4 ,
The sensing element, wherein the bonding layer is made of metal.
前記振動板が無機材で構成されていることを特徴とするセンシング素子。 In the sensing element according to any one of claims 1 to 5 ,
A sensing element, wherein the diaphragm is made of an inorganic material.
前記振動板が金属で構成されていることを特徴とするセンシング素子。 The sensing element according to claim 6 ,
A sensing element, wherein the diaphragm is made of metal.
前記振動板が金属膜で構成され、
前記錘部が金属以外の無機材で構成され、
前記接合層が、前記振動板と前記錘部との間に形成されたろう材であることを特徴とするセンシング素子。 In the sensing element according to any one of claims 1 to 3 ,
The diaphragm is made of a metal film,
The weight portion is made of an inorganic material other than metal,
The sensing element, wherein the bonding layer is a brazing material formed between the diaphragm and the weight portion.
少なくとも前記上部電極は複数の電極にて構成され、
前記複数の電極は、前記錘部を駆動するための駆動用電極と、前記錘部の変位を検出するための検出用電極とを有することを特徴とするセンシング素子。 The sensing element according to any one of claims 1 to 8 ,
At least the upper electrode is composed of a plurality of electrodes,
The plurality of electrodes include a drive electrode for driving the weight portion and a detection electrode for detecting displacement of the weight portion.
少なくとも前記上部電極は複数の電極にて構成され、
前記複数の電極は、前記錘部の変位を検出するための検出用電極のみを有することを特徴とするセンシング素子。 The sensing element according to any one of claims 1 to 8 ,
At least the upper electrode is composed of a plurality of electrodes,
The plurality of electrodes include only detection electrodes for detecting displacement of the weight portion.
前記下部電極は前記複数の電極の対向電極であって、共通電極であることを特徴とするセンシング素子。 The sensing element according to claim 9 or 10 ,
The sensing element, wherein the lower electrode is a counter electrode of the plurality of electrodes and is a common electrode.
前記振動板が前記下部電極を兼用していることを特徴とするセンシング素子。 The sensing element according to claim 11 ,
The sensing element, wherein the diaphragm also serves as the lower electrode.
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