JPH07113643A - 圧電振動角速度計 - Google Patents
圧電振動角速度計Info
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- JPH07113643A JPH07113643A JP5258102A JP25810293A JPH07113643A JP H07113643 A JPH07113643 A JP H07113643A JP 5258102 A JP5258102 A JP 5258102A JP 25810293 A JP25810293 A JP 25810293A JP H07113643 A JPH07113643 A JP H07113643A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
- H04R17/04—Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
- H04R17/08—Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus signals being recorded or played back by vibration of a stylus in two orthogonal directions simultaneously
Abstract
(57)【要約】
【目的】 小型で安価に量産できる圧電振動角速度計を
提供することを目的とする。 【構成】 シリコン加工プロセスにより形成された片持
ち梁または両持ち梁形状の振動子およびそれを支持する
基体と、振動子上に形成された圧電及び／または電歪材
料からなる薄膜とから圧電振動角速度計を構成する。
提供することを目的とする。 【構成】 シリコン加工プロセスにより形成された片持
ち梁または両持ち梁形状の振動子およびそれを支持する
基体と、振動子上に形成された圧電及び／または電歪材
料からなる薄膜とから圧電振動角速度計を構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、正・逆の圧電効果を利
用して振動の回転角速度を検出する圧電振動角速度計に
関する。特に、小型で安価に量産できる圧電振動角速度
計に関する。
用して振動の回転角速度を検出する圧電振動角速度計に
関する。特に、小型で安価に量産できる圧電振動角速度
計に関する。
【０００２】
【従来の技術】正、逆の圧電効果を利用した圧電振動角
速度計では、従来、ＧＥタイプとワトソンタイプの２種
類が主流となっていた。ＧＥタイプの圧電振動角速度計
では、図３に示すように金属でできた棒状振動子に圧電
セラミックス板を接着し、これにより金属振動子を駆動
するとともに、振動子の回転にともない生ずるコリオリ
力を検出する。使われる振動のモードは無拘束の横振動
で、普通、振動の節点で振動を基体に固定する。
速度計では、従来、ＧＥタイプとワトソンタイプの２種
類が主流となっていた。ＧＥタイプの圧電振動角速度計
では、図３に示すように金属でできた棒状振動子に圧電
セラミックス板を接着し、これにより金属振動子を駆動
するとともに、振動子の回転にともない生ずるコリオリ
力を検出する。使われる振動のモードは無拘束の横振動
で、普通、振動の節点で振動を基体に固定する。
【０００３】ワトソンタイプ圧電振動角速度計では、図
４に示すように、４枚の圧電セラミックバイモルフを２
枚ずつ互いに直交するように重ね音叉形状とし、駆動用
バイモルフで音叉全体を励振し、素子の回転に伴い生ず
るコリオリ力を検出用バイモルフで検知する。これらの
素子は角速度センサー、手振れセンサー等として応用さ
れ多くの実績を持つ。
４に示すように、４枚の圧電セラミックバイモルフを２
枚ずつ互いに直交するように重ね音叉形状とし、駆動用
バイモルフで音叉全体を励振し、素子の回転に伴い生ず
るコリオリ力を検出用バイモルフで検知する。これらの
素子は角速度センサー、手振れセンサー等として応用さ
れ多くの実績を持つ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の圧電振動角速度計は、振動子の構成、固定の方法が複
雑であり、セラミックス板の接着、リード線の取付等の
煩雑な工程が不可欠であるため、小型化、低コスト化を
行うことは不可能であった。本発明の目的は、これらの
問題を解決し、小型で安価に量産できる圧電振動角速度
計を提供することにある。
の圧電振動角速度計は、振動子の構成、固定の方法が複
雑であり、セラミックス板の接着、リード線の取付等の
煩雑な工程が不可欠であるため、小型化、低コスト化を
行うことは不可能であった。本発明の目的は、これらの
問題を解決し、小型で安価に量産できる圧電振動角速度
計を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン加工
プロセスと最近盛んとなった圧電・電歪材料の気相合成
法とを、圧電振動角速度計を作製するための手段として
組み合わせできるとの着想に基づき、シリコン加工プロ
セスにより基体となるシリコン基板上に振動子を形成
し、その上にシリコン加工プロセスと整合する方法によ
り圧電・電歪材料からなる薄膜を形成するとともに、振
動子の形状を、基体に支持された片持ち梁あるいは両持
ち梁形状とした。
プロセスと最近盛んとなった圧電・電歪材料の気相合成
法とを、圧電振動角速度計を作製するための手段として
組み合わせできるとの着想に基づき、シリコン加工プロ
セスにより基体となるシリコン基板上に振動子を形成
し、その上にシリコン加工プロセスと整合する方法によ
り圧電・電歪材料からなる薄膜を形成するとともに、振
動子の形状を、基体に支持された片持ち梁あるいは両持
ち梁形状とした。
【０００６】
【作用】圧電・電歪材料からなる薄膜に、シリコンでで
きた片持ち梁型あるいは両持ち梁型の振動子の横振動の
共振周波数付近の周波数の交流電界を印加すると、圧電
逆効果により振動子に固有振動が励起される。この段階
で梁の軸の回りに回転が起こると、梁の軸方向と振動方
向の両方向に垂直な方向にコリオリ力が発生する。この
力は駆動電界によって起こる振動と垂直方向に梁を変形
させ、これにより振動子に固定された別の圧電・電歪薄
膜に圧電正効果によって生ずる誘起電荷を検出すれば、
次に示す関係により回転角速度を見積もることができ
る。
きた片持ち梁型あるいは両持ち梁型の振動子の横振動の
共振周波数付近の周波数の交流電界を印加すると、圧電
逆効果により振動子に固有振動が励起される。この段階
で梁の軸の回りに回転が起こると、梁の軸方向と振動方
向の両方向に垂直な方向にコリオリ力が発生する。この
力は駆動電界によって起こる振動と垂直方向に梁を変形
させ、これにより振動子に固定された別の圧電・電歪薄
膜に圧電正効果によって生ずる誘起電荷を検出すれば、
次に示す関係により回転角速度を見積もることができ
る。
【０００７】 Ｆc＝２ｍ［ｖ・Ω］ ・・・ （１） ここで、Ｆcはコリオリ力、ｍは振動子の質量、ｖは振
動子の振動速度、Ωは回転角速度である。振動子の上に
直接または電極等の他の層を介して形成される圧電・電
歪材料からなる薄膜は、シリコン加工プロセスと整合す
る方法で形成されることが望ましく、例えばスパッタリ
ング、真空蒸着、ＥＢ蒸着、ＭＯＣＶＤ法等の真空薄膜
形成技術により形成される。
動子の振動速度、Ωは回転角速度である。振動子の上に
直接または電極等の他の層を介して形成される圧電・電
歪材料からなる薄膜は、シリコン加工プロセスと整合す
る方法で形成されることが望ましく、例えばスパッタリ
ング、真空蒸着、ＥＢ蒸着、ＭＯＣＶＤ法等の真空薄膜
形成技術により形成される。
【０００８】フォトリソグラフィーおよび異方性ケミカ
ルエッチングに代表されるシリコン加工プロセスは基本
的に２次元の加工プロセスであるため特に安価とするた
めには２次元的に加工できる振動子の形状とすることが
望ましく、このためには圧電・電歪材料からなる薄膜、
さらにはこの薄膜から圧電効果を取り出すための電極が
シリコンウェハー面に平行に形成されることが望まし
い。
ルエッチングに代表されるシリコン加工プロセスは基本
的に２次元の加工プロセスであるため特に安価とするた
めには２次元的に加工できる振動子の形状とすることが
望ましく、このためには圧電・電歪材料からなる薄膜、
さらにはこの薄膜から圧電効果を取り出すための電極が
シリコンウェハー面に平行に形成されることが望まし
い。
【０００９】検出用電極からはコリオリ力に起因する圧
電信号に加えて、梁の振動に伴う圧電信号が加算された
出力が得られる。コリオリ力が加わると梁は振動方向と
垂直方向に撓み、梁の中心面に対して対称に、片側に圧
縮応力が、他の側に引っ張り応力が加わる。ここで検出
用電極が梁の中心軸に対称に配置してあれば、両電極か
ら得られるコリオリ力に起因する圧電信号は絶対値が等
しく符号が反対となる。梁の振動に基づく圧電信号は両
電極で等しくなるので、両電極から得られる出力の差を
取ればコリオリ力に起因する信号のみを得ることができ
る。
電信号に加えて、梁の振動に伴う圧電信号が加算された
出力が得られる。コリオリ力が加わると梁は振動方向と
垂直方向に撓み、梁の中心面に対して対称に、片側に圧
縮応力が、他の側に引っ張り応力が加わる。ここで検出
用電極が梁の中心軸に対称に配置してあれば、両電極か
ら得られるコリオリ力に起因する圧電信号は絶対値が等
しく符号が反対となる。梁の振動に基づく圧電信号は両
電極で等しくなるので、両電極から得られる出力の差を
取ればコリオリ力に起因する信号のみを得ることができ
る。
【００１０】素子をさらに簡略化するためには、駆動
用、検出用各々の圧電・電歪薄膜を別々に形成するので
はなく、一つの圧電・電歪薄膜に対して分割された電極
を付け、膜の一部を駆動用、他の部分を検出用として使
うことが望ましい。
用、検出用各々の圧電・電歪薄膜を別々に形成するので
はなく、一つの圧電・電歪薄膜に対して分割された電極
を付け、膜の一部を駆動用、他の部分を検出用として使
うことが望ましい。
【００１１】
【実施例】以下に実施例により本発明についてさらに詳
細に説明する。図１−１は本発明に基づく圧電振動角速
度計の１例を示す。シリコンでできた片持ち梁型振動子
（１）が同じシリコンの基体（２）に固定されている。
シリコン上面には窒化珪素膜（３）が形成され、この上
に白金下部電極（４）、チタン酸ジルコニウム酸鉛（Ｐ
ＺＴ）圧電膜（５）さらに白金上部電極（６）が形成さ
れている。図１−２は白金下部電極の面で切断し素子を
上方から見た図である。
細に説明する。図１−１は本発明に基づく圧電振動角速
度計の１例を示す。シリコンでできた片持ち梁型振動子
（１）が同じシリコンの基体（２）に固定されている。
シリコン上面には窒化珪素膜（３）が形成され、この上
に白金下部電極（４）、チタン酸ジルコニウム酸鉛（Ｐ
ＺＴ）圧電膜（５）さらに白金上部電極（６）が形成さ
れている。図１−２は白金下部電極の面で切断し素子を
上方から見た図である。
【００１２】下部電極は駆動用（９）、検出用（８ａ、
ｂ）の３部分に分割されている。上部電極を共通のグラ
ンドとして使い、駆動用電極に振動子の片持ち梁固有振
動数に近い周波数の電界を印加すると、ＰＺＴ圧電膜の
振動により図中Ｖで示した方向に片持ち梁振動が励起さ
れる。振動子が速度ＶでＶの方向に移動しているとき、
片持ち梁の軸方向にこの軸の回りに回転角速度Ωが加わ
ると先に示した式（１）に従いコリオリ力Ｆcが振動子
に働く。この力は振動の方向と垂直方向に振動子をたわ
ませる。図１−２に示す方向に力が加わった場合、検出
用電極８ａの側には圧縮応力が、検出用電極８ｂの側に
は引っ張り応力が作用する。検出用電極８ａとグランド
との間で検出される電圧をｖa、検出用電極８ｂとグラ
ンドとの間で検出される電圧をｖbとすると、ｖa、ｖb
共にコリオリ力に伴う信号に加えて片持ち梁振動に起因
する信号が合成された形で検出される。コリオリ力によ
る信号はｖaとｖbで符号が異なるため両者の差ｖa−ｖb
を取れば片持ち梁振動に起因する信号が相殺され、コリ
オリ力による信号のみを読みとることができる。
ｂ）の３部分に分割されている。上部電極を共通のグラ
ンドとして使い、駆動用電極に振動子の片持ち梁固有振
動数に近い周波数の電界を印加すると、ＰＺＴ圧電膜の
振動により図中Ｖで示した方向に片持ち梁振動が励起さ
れる。振動子が速度ＶでＶの方向に移動しているとき、
片持ち梁の軸方向にこの軸の回りに回転角速度Ωが加わ
ると先に示した式（１）に従いコリオリ力Ｆcが振動子
に働く。この力は振動の方向と垂直方向に振動子をたわ
ませる。図１−２に示す方向に力が加わった場合、検出
用電極８ａの側には圧縮応力が、検出用電極８ｂの側に
は引っ張り応力が作用する。検出用電極８ａとグランド
との間で検出される電圧をｖa、検出用電極８ｂとグラ
ンドとの間で検出される電圧をｖbとすると、ｖa、ｖb
共にコリオリ力に伴う信号に加えて片持ち梁振動に起因
する信号が合成された形で検出される。コリオリ力によ
る信号はｖaとｖbで符号が異なるため両者の差ｖa−ｖb
を取れば片持ち梁振動に起因する信号が相殺され、コリ
オリ力による信号のみを読みとることができる。
【００１３】図２に図１に示した圧電振動角速度計の作
製プロセスの１例を示す。Ｓｉ（１１０）ウェハーの両
面に窒化珪素膜をＣＶＤ法で製膜後片面に下部電極とな
るＰｔ／Ｔｉ膜をスパッタ法で製膜する（２−１）。次
に、駆動及び検出用電極となる３分割電極パターンと、
これらと同時に必要となるリード部、配線用ボンディン
グ部に対応するレジストパターンをフォトリソグラフィ
ーにより形成する（２−２）。さらに、反応性エッチン
グによりＰｔ／Ｔｉ膜をレジストパターンで被覆された
部分を除き下地の窒化珪素膜に達するまで取り除く（２
−３）。そして、片持ち梁を形成するのに必要な空隙と
なる部分と各素子間境界に当たる部分を除きフォトリソ
グラフィーによりレジストを形成する（２−４）。同様
に反応性エッチングにより空隙部分に対応する窒化珪素
を取り除く（２−５）。裏面に対しても同様に空隙にあ
たる部分を残してレジストパタ─ンを形成し（２−
６）、この部分に窒化珪素膜を反応性エッチングにより
除去する（２−７）。このように加工したシリコンウェ
ハー全体に水酸化カリウムで異方性エッチングを行う
と、エッチングに対する保護膜となる窒化珪素の無い部
分からエッチングが進み、片持ち梁形状が得られる（２
−８）。次に、片持ち梁を中心とする部分にスパッタ法
によりＰＺＴ薄膜を形成する（２−９）。最後にマスク
蒸着により上部電極を形成して素子が完成する（２−１
０）。この素子に適切な駆動電源と検出回路を接続すれ
ば圧電振動角速度計として使用することができる。
製プロセスの１例を示す。Ｓｉ（１１０）ウェハーの両
面に窒化珪素膜をＣＶＤ法で製膜後片面に下部電極とな
るＰｔ／Ｔｉ膜をスパッタ法で製膜する（２−１）。次
に、駆動及び検出用電極となる３分割電極パターンと、
これらと同時に必要となるリード部、配線用ボンディン
グ部に対応するレジストパターンをフォトリソグラフィ
ーにより形成する（２−２）。さらに、反応性エッチン
グによりＰｔ／Ｔｉ膜をレジストパターンで被覆された
部分を除き下地の窒化珪素膜に達するまで取り除く（２
−３）。そして、片持ち梁を形成するのに必要な空隙と
なる部分と各素子間境界に当たる部分を除きフォトリソ
グラフィーによりレジストを形成する（２−４）。同様
に反応性エッチングにより空隙部分に対応する窒化珪素
を取り除く（２−５）。裏面に対しても同様に空隙にあ
たる部分を残してレジストパタ─ンを形成し（２−
６）、この部分に窒化珪素膜を反応性エッチングにより
除去する（２−７）。このように加工したシリコンウェ
ハー全体に水酸化カリウムで異方性エッチングを行う
と、エッチングに対する保護膜となる窒化珪素の無い部
分からエッチングが進み、片持ち梁形状が得られる（２
−８）。次に、片持ち梁を中心とする部分にスパッタ法
によりＰＺＴ薄膜を形成する（２−９）。最後にマスク
蒸着により上部電極を形成して素子が完成する（２−１
０）。この素子に適切な駆動電源と検出回路を接続すれ
ば圧電振動角速度計として使用することができる。
【００１４】両持ち梁型圧電振動角速度計に関しても、
作製プロセス、動作原理とも基本的には片持ち梁型と同
様である。
作製プロセス、動作原理とも基本的には片持ち梁型と同
様である。
【００１５】
【発明の効果】以上の通り、本発明に従えば極めて小型
のしかも安価な圧電振動角速度計を得ることができる。
本発明の圧電振動角速度計は単に単体で使うのみでな
く、マイクロマシン、マイクロロボット等の小型システ
ムへ組み込むことが可能である。
のしかも安価な圧電振動角速度計を得ることができる。
本発明の圧電振動角速度計は単に単体で使うのみでな
く、マイクロマシン、マイクロロボット等の小型システ
ムへ組み込むことが可能である。
【図１】 本発明に基づく圧電振動角速度計の１例であ
る。
る。
【図２】 図１に示した圧電振動角速度計を作製するた
めのプロセスの一例である。
めのプロセスの一例である。
【図３】 従来の圧電振動角速度計の概念図である。
【図４】 従来の圧電振動角速度計の概念図である。
１ 振動子 ２ 基体 ３ 窒化珪素 ４ 下部電極 ５ ＰＺＴ膜 ６ 上部電極 ７ 窒化珪素膜（基体） ８ 検出用電極 ９ 駆動用電極 １０ レジスト １１ 切断用溝 １２ ＰＺＴ １３ 金属振動子 １４ 駆動用圧電セラミック板 １５ 検出用圧電セラミック板 １６ 駆動用圧電セラミックバイモルフ １７ 検出用圧電セラミックバイモルフ
Claims (5)
- 【請求項１】シリコン加工プロセスにより形成された振
動子およびそれを支持する基体と、前記振動子上に直接
または他の層を介して形成された圧電および／または電
歪材料からなる薄膜とから構成される圧電振動角速度計
において、前記振動子が前記基体に支持された両持ち梁
形状を有することを特徴とする圧電振動角速度計。 - 【請求項２】シリコン加工プロセスにより形成された振
動子およびそれを支持する基体と、前記振動子上に直接
または他の層を介して形成された圧電および／または電
歪材料からなる薄膜とから構成される圧電振動角速度計
において、前記振動子が前記基体に支持された片持ち梁
形状を有することを特徴とする圧電振動角速度計。 - 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の圧電振動
角速度計において、前記圧電および／または電歪材料か
らなる薄膜が、該薄膜の両面に電極を伴って前記振動子
上に平行に形成されていることを特徴とする圧電振動角
速度計。 - 【請求項４】請求項３に記載の圧電振動角速度計におい
て、前記薄膜の両面に形成した電極の少なくとも一方の
電極を梁の軸に対して対称に２分割し、両電極から得ら
れる信号の差を取ってコリオリ力に起因する圧電信号を
検出することを特徴とする圧電振動角速度計。 - 【請求項５】請求項３に記載の圧電振動角速度計におい
て、前記薄膜の両面に形成した電極の少なくとも一方の
電極を梁の軸に対して対称に３分割し、中央の電極部を
駆動用、両側の電極部を検出用とし、両検出電極から得
られる信号の差を取ってコリオリ力に起因する圧電信号
を検出することを特徴とする圧電振動角速度計。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5258102A JPH07113643A (ja) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | 圧電振動角速度計 |
| US08/504,725 US5802684A (en) | 1993-09-14 | 1995-07-20 | Process for producing a vibration angular-velocity sensor |
| US08/674,708 US5796000A (en) | 1993-09-14 | 1996-07-02 | Vibration angular-velocity sensor and process for producing it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5258102A JPH07113643A (ja) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | 圧電振動角速度計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07113643A true JPH07113643A (ja) | 1995-05-02 |
Family
ID=17315533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5258102A Pending JPH07113643A (ja) | 1993-09-14 | 1993-10-15 | 圧電振動角速度計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07113643A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002329899A (ja) * | 2001-04-27 | 2002-11-15 | Sony Corp | 圧電薄膜素子およびその製造方法 |
| EP1696206A1 (en) | 2005-02-28 | 2006-08-30 | Sony Corporation | Method for manufacturing vibrating gyrosensor and vibrating element |
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-
1993
- 1993-10-15 JP JP5258102A patent/JPH07113643A/ja active Pending
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