JPH1054842A - 圧電振動子およびこれを用いた外力検知センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】櫛歯溝電極により基板の表層部のみならず内部
にも電界を形成し、駆動効率および検出効率がよく、低
電圧駆動が可能で、歩留まりのよい圧電振動子およびこ
れを用いた外力検知センサを提供する。 【解決手段】基部２ａが支持基板１に支持された圧電支
持梁２の一つの主面に、櫛歯溝電極３ａを形成し、この
櫛歯溝電極３ａに電圧を印加して圧電支持梁３ａを屈曲
駆動させ、また、外力による圧電支持梁３ａの屈曲振動
による発生電圧を前記櫛歯溝電極３ａから取り出すこと
を特徴とする圧電振動子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、櫛歯電極構造の圧
電振動子およびこの圧電振動子を用いた加速度センサ、
角速度センサなどの外力検知センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧電振動子として、図１
１に示すように、赤外線センサ装置のチョッパを駆動す
る圧電振動子４０がある。この圧電振動子４０は、直方
体の水晶基板５１の表面において、一方の短辺から他方
の短辺に至る屈曲した一対の帯状電極５２ａ、５２ｂが
間隔をおいて並行に形成されている。そして、これらの
帯状電極５２ａ、５２ｂは、対電極を構成してこれらに
駆動電圧を印加すると、水晶基板５１の表層部に実線矢
印で示すように電界が形成される。また、水晶基板５１
の裏面においても、表面の帯状電極５２ａ、５２ｂと対
向する配置関係で、一対の帯状電極５３ａ、５３ｂが対
電極を形成し、印加電圧に対し実線矢印で示すように電
界を形成する。

【０００３】この圧電振動子４０は、赤外線センサ装置
のチョッパに結合されて、対をなす帯状電極５２ａ、５
２ｂおよび帯状電極５３ａ、５３ｂにそれぞれ駆動電圧
を印加すると屈曲振動をしてチョッパを駆動し、断続的
に赤外線センサ装置のセンサ窓を開閉して温度などの計
測を行うものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電振動子４０は、水晶基板５１の表面および裏面にの
み、対をなす帯状電極５２ａ、５２ｂおよび５３ａ、５
３ｂが形成されているので、実線矢印で示すように、電
界が水晶基板５１の表層部にのみ発生して屈曲振動の振
幅が小さく駆動効率が悪かった。それで、大きな振幅で
駆動させる場合には、大きな電圧を必要として、低電圧
で駆動される赤外線センサ装置などには使用できなかっ
た。

【０００５】また、この圧電振動子４０は、帯状電極５
２ａ、５２ｂおよび５３ａ、５３ｂが水晶基板５１の表
面および裏面に形成されているので、表面および裏面の
電極パターンを対向して精度よく合わせる必要があり、
工程が複雑で歩留まりが低下するという問題があった。

【０００６】そこで、本発明においては、櫛歯溝電極に
より基板の表層部のみならず内部にも電界を形成し、駆
動効率および検出効率がよく、低電圧駆動が可能で、歩
留まりのよい圧電振動子およびこれを用いた外力検知セ
ンサを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、下記の解決手段を採ることを特徴とす
る。

【０００８】請求項１に記載の圧電振動子に係る発明
は、基部が支持基板に支持された圧電支持梁の一つの主
面に、梁軸と直交する複数本の溝が梁軸方向に一定間隔
をおいて形成され、これらの複数本の溝には電極が形成
され、これらの電極からは引出電極が互い違いに反対方
向に引き出されて櫛歯溝電極が形成されている。

【０００９】この発明においては、圧電支持梁の一つの
主面に、表面から内部へ切り込まれた溝電極を形成して
櫛歯溝電極を構成しているので、これに駆動電圧を印加
した場合には、電界が圧電支持梁の表層のみならず内部
にも形成されて、圧電支持梁は屈曲変位する。

【００１０】また、圧電支持梁に応力が加わった場合に
は、圧電支持梁の表層および内部を経由する電界が櫛歯
溝電極間に生じ、この櫛歯溝電極に電圧が発生する。

【００１１】請求項２に記載の外力検知センサに係る発
明は、請求項１に記載の圧電振動子の前記圧電支持梁の
先端に重りを形成したものである。

【００１２】この発明は、重りに応力が加わると、圧電
支持梁が屈曲して、圧電支持梁の櫛歯溝電極間の表層お
よび内部に電界が生じ、櫛歯溝電極に電圧が発生する。

【００１３】請求項３に記載の外力検知センサに係る発
明は、支持基板と圧電基板との積層板が、中空部を有す
る枠体に形成され、前記中空部には前記圧電基板から伸
びた一つ以上の圧電支持梁に支えられている重りが自由
振動可能に形成され、前記圧電支持梁の一つの主面に
は、梁軸と直交する複数本の溝が梁軸方向に一定間隔を
おいて形成され、これらの複数本の溝には電極がそれぞ
れ形成され、これらの電極からは引出電極が互い違いに
反対方向に引き出されて櫛歯溝電極が形成されている。

【００１４】この発明は、請求項１記載の発明と同様
に、圧電支持梁に櫛歯溝電極を用いているので、逆圧電
効果を利用して圧電支持梁を屈曲させて重りを振動さ
せ、また、圧電効果により、重りの慣性により圧電支持
梁を屈曲させて、コリオリ力を利用して角速度を検出す
ることができる。

【００１５】請求項４に記載の外力検知センサに係る発
明は、前記圧電支持梁が一対の駆動用圧電支持梁と一対
の検知用圧電支持梁で構成され、前記一対の駆動用圧電
支持梁は前記重りを介し対向して配置され、および前記
一対の検知用圧電支持梁は、前記重りを介し対向して配
置されると共に前記一対の駆動用圧電支持梁と直角の配
置関係を有している。

【００１６】この発明は、対向する一対の駆動用圧電支
持梁に逆位相の電圧を印加すると、一方の駆動用圧電支
持梁の櫛歯溝電極面側は伸長し、他方の駆動用圧電支持
梁の櫛歯溝電極面側は縮小する。すると、重りは一対の
検出用圧電支持梁を結ぶ線を軸にして屈曲振動をするこ
とになる。このような状況の下に、外力検知センサが、
例えば、重りの中心を通る垂直線を軸にして回転したと
すると、コリオリ力が作用して、重りが一対の駆動用圧
電支持梁を結ぶ線を軸にして屈曲振動をすることにな
る。この振動は、一対の検出用圧電支持梁の櫛歯溝電極
面側に交互に圧縮応力と引っ張り応力を生じさせ、それ
らの櫛歯溝電極に正極性の電圧と逆極性の電圧を発生さ
せる。これらの電圧を差動増幅して外力検知センサの回
転角速度を得る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、図１および図２を参照し
て、本発明の第１実施例の圧電支持梁構造の圧電振動子
１０について説明する。

【００１８】１はシリコン、アルミナ、ステンレス、チ
タン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなり、中空部１
ａを有する枠型の支持基板である。この支持基板１には
ＰＺＴ、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、
チタン酸鉛（ＰＴ）などからなる枠型の圧電基板２が貼
り合わされている。中空部１ａの中には、圧電基板２の
一つの内側面から向き合っている枠辺近傍まで伸びた圧
電支持梁３が形成されている。

【００１９】この圧電支持梁３には、複数本の溝４が梁
軸と直交方向に且つ梁軸と同方向に一定の並列間隔をお
いて形成されている。そして、この溝４に電極を設けて
溝電極４ａを形成する。この溝電極４ａからは引出電極
５ａ、５ｂが互い違いに反対方向に引き出されて櫛歯溝
電極ｋを形成している。この引出電極５ａ、５ｂは、圧
電支持梁３の基部２ａに形成された電極パッド５ｃ、５
ｄに接続されている。なお、圧電支持梁３の櫛歯溝電極
ｋ部は、図３に示すように、電極パッド５ｃ、５ｄに直
流電圧を印加して分極される。

【００２０】つぎに、この圧電支持梁構造の圧電振動子
１０の動作について説明する。まず、逆圧電効果を利用
して圧電振動子を駆動素子として使用する場合について
説明する。

【００２１】図３に示すように、電極パッド５ｃにマイ
ナス（−）の電圧を、電極パッド５ｄにプラス（＋）の
電圧を印加する。すると、圧電支持梁３の上層ないし中
層部に、プラス（＋）極性の溝電極４ａからマイナス
（−）極性の溝電極４ａへ、実線矢印で示すように、電
界が形成される。この電界により、圧電支持梁３の上層
ないし中層部が縮むので、下層部もこれに追随して、圧
電支持梁３は破線矢印で示すように、上方へ屈曲する。

【００２２】つぎに、図３に示す印加電圧の極性を反対
にすると、実線矢印で示す電界の方向が逆になり、圧電
支持梁３の上層ないし中層部が伸びて、圧電支持梁３
は、一点鎖線矢印で示すように、下方へ屈曲することに
なる。このように、電極パッド５ｃ、５ｄに、交流電圧
を印加すると、圧電支持梁３は屈曲振動を行うことにな
る。

【００２３】つぎに、圧電効果を利用して圧電振動子を
検出素子として使用する場合について説明する。図３に
示すように、圧電支持梁３が、破線矢印で示すように、
何らかの外部応力により上方へ屈曲したとすると、圧電
支持梁３の上層ないし中層部には圧縮応力が発生し、実
線矢印で示すような電界が発生する。これにより、電極
パッド５ｃと５ｄとの間に、それぞれマイナスとプラス
の電圧が発生する。

【００２４】また、この逆に、圧電片支持梁２が、一点
鎖線矢印で示すように、何らかの外部応力により下方へ
屈曲したとすると、圧電支持梁３の上層ないし中層部に
引っ張り応力が発生し、実線矢印と逆方向の電界が発生
する。これにより、電極パッド５ｃと５ｄとの間に、そ
れぞれプラスとマイナスの電圧が発生する。

【００２５】つぎに、この圧電振動子１０の製造方法に
ついて説明する。図４に示すように、厚み４００μｍの
シリコンの支持基板１１の上に、厚み３００μｍのＰＺ
Ｔの圧電基板１２を接合する。この接合は、圧電基板１
２にパイレックスガラスをスパッタリングして、このパ
イレックスガラスとシリコンの支持基板１１とを陽極接
合することにより行う。そして、支持基板１１の底面の
外縁に沿って枠型の窒化シリコン膜１１ａを形成する。
この窒化シリコン膜１１ａは、後工程でシリコンの支持
基板１１を枠型に形成するためのエッチング用のマスク
とするものである。

【００２６】図５に示すように、圧電基板１２を１０μ
ｍの厚みまでラッピングマシーンにより研磨する。その
後、圧電基板１２を、図１に示すように、圧電支持梁３
に加工する。この加工は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチ
ング）、レーザーエッチング、イオンミリングなどによ
り行う。

【００２７】図６に示すように、圧電支持梁３の上層部
に深さ３〜５μｍの櫛歯電極用の複数本の溝４を梁軸と
直交し、かつ、梁軸と同方向に一定の間隔をおいて形成
する。この形成工程も、図５に示す圧電支持梁３の加工
と同一の手段により行われる。

【００２８】図７に示すように、溝４にニッケル、アル
ミニウム、白金などの金属を堆積して溝電極４ａを形成
する。なお、圧電支持梁３の表面には、この溝電極４ａ
の形成と同時に、図１に示す引出電極５ａ、５ｂおよび
電極パッド５ｃ、５ｄも形成される。これにより、櫛歯
溝電極ｋが形成される。その後、加工された圧電支持梁
３を１５０℃に加熱し、図３に示すように、隣接する溝
電極４ａ、４ａ間に直流電圧を印加して分極処理を行
う。

【００２９】図８に示すように、窒化シリコン膜１１ａ
をマスクとして、ＫＯＨ（水酸化カリウム）の溶液で異
方性エッチングを行い、圧電支持梁３の下方および枠型
部分となる以外のシリコンの支持基板１１を除去する。
そして、窒化シリコン膜１１ａをエッチング除去して図
１に示すような圧電支持梁構造の圧電振動子１０を得
る。

【００３０】つぎに、図９を参照して本発明の外力検知
センサの第１実施例としての加速度センサ２０について
説明する。この加速度センサ２０は、図１に示す圧電振
動子１０の圧電支持梁３の先端に負荷質量として矩形板
状の重り６を圧電支持梁３と同一の材料で同一厚みに形
成したもので、重り６以外は図１と同様なので図１と同
一番号を付してその説明を省略する。

【００３１】つぎに、この加速度センサ２０の動作につ
いて説明する。この加速度センサ２０は、圧電効果を利
用して加速度の検出素子として機能させるものである。
即ち、この加速度センサ２０は、櫛歯溝電極ｋの形成さ
れている表面もしくはその裏面を、移動体の進行方向に
向けて移動体に搭載される。もし、櫛歯溝電極ｋの形成
されている表面を進行方向にして搭載した場合には、加
速が生じたとき、重り６は慣性のため後方に変位して圧
電支持梁３には引っ張り応力が発生する。この応力のた
め、櫛歯溝電極ｋには圧電効果により電圧が発生して電
極パッド５ｃ、５ｄから加速度に比例した電圧が取り出
される。

【００３２】また、櫛歯溝電極ｋの形成されている面を
進行方向と逆方向に向けて加速度センサ２０を移動体に
搭載した場合には、加速が生じたとき、重りは慣性のた
め後方に変位して圧電支持梁３には圧縮応力が発生す
る。この応力のため、櫛歯溝電極ｋには圧電効果により
電圧が発生して電極パッド５ｃ、５ｄから加速度に比例
した電圧が取り出される。

【００３３】つぎに、図１０を参照して本発明の外力検
知センサの第２実施例としての角速度センサ３０につい
て説明する。１１はシリコン、アルミナ、ステンレス、
ＰＺＴなどからなる支持基板である。１２はＰＺＴ、チ
タン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸鉛
（ＰＴ）などからなる圧電基板である。これらの支持基
板１１と圧電基板１２は、上述した陽極接合方法により
接合されて積層板２１を構成する。

【００３４】この積層板２１には、矩形状の中空部１３
が形成され、残部で枠体２１ａが形成される。この中空
部１３には、枠体２１ａの圧電基板１２の各内辺から伸
びた４つの圧電支持梁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの先端に
矩形板状の重り１２ａが自由振動可能に支持されてい
る。圧電支持梁３ａ〜３ｄ及び重り１２ａは、圧電基板
１２を加工して形成される。

【００３５】圧電支持梁３ａ〜３ｄには、図１に示す櫛
歯溝電極ｋ、この櫛歯溝電極ｋから導出された引出電極
５ａ、５ｂが形成されている。そして、この引出電極５
ａ、５ｂは枠体２１ａに形成された電極パッド５ｃ、５
ｄにそれぞれ接続されている。

【００３６】この角速度センサ３０は、図１および図２
に示す圧電支持梁３により、矩形板状の重り１２ａがそ
の４辺を支持されていることになる。そして、圧電支持
梁３ａ〜３ｄは、重り１２ａを介しＸ軸方向に対向して
配置される圧電支持梁３ａ、３ｃが駆動用で、同じく重
り１２ｂを介しＹ軸方向に対向して配置される圧電支持
梁３ｂ、３ｄが検出用となる。

【００３７】つぎに、この角速度センサ３０の動作につ
いて説明する。駆動用の圧電支持梁３ａ、３ｃに逆位相
の電圧を印加する。すると、圧電支持梁３ａ、３ｃは、
櫛歯溝電極ｋ側が一方が伸びるとき、他方が縮んで、圧
電支持梁３ｂ、３ｄの梁軸を通るｙ軸を支軸にして屈曲
振動をする。

【００３８】いま、この角速度センサ３０が、このよう
な振動をしているときに、その中心の垂直軸を通るｚ軸
を中心にして回転すると、コリオリ力により重り１２ａ
が圧電支持梁３ａ、３ｃの梁軸を通るｘ軸を支軸にして
屈曲振動をするようになる。この屈曲振動により、圧電
支持梁３ｂ、３ｄには圧縮応力と引っ張り応力が交互に
発生して、それらの櫛歯溝電極ｋ、ｋに逆相の電圧が発
生する。この発生する電圧は、回転角速度に比例してい
るので、この発生電圧により角速度センサ３０を搭載し
ている移動物体の回転角速度を検出して、これを積分し
て回転角度ないし旋回角度を知ることができる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、圧電支持梁に溝
を設け、この溝に電極を形成した櫛歯溝電極を用いてい
るので、電界が圧電支持梁の表層部のみならず内部まで
形成され、逆圧電効果による駆動効率、および圧電効果
による検出効率がよい。また、この櫛歯溝電極のため
に、圧電支持梁の屈曲振動が大きくなるので低電圧駆動
が可能となる。更に、櫛歯溝電極、引出電極および電極
パッドが圧電支持梁の片面にのみ形成されているため、
加工が容易となり、歩留まりもよくなる。

【００４０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明と同様に、検出部に櫛歯溝電極を用いているので、加
速度の検出効率が向上する。また、櫛歯溝電極、引出電
極および電極パッドが圧電支持梁の片面にのみ形成され
ているため、加工が容易となり、歩留まりもよくなる。

【００４１】請求項３記載の発明は、加速度センサとし
て、またコリオリ力を利用して角速度センサとして使用
される。また、この発明は、請求項１記載の発明と同様
に、圧電支持梁に櫛歯溝電極を用いているので、逆圧電
効果による駆動効率、圧電効果による検出効率が大きく
なる。更に、請求項１記載の発明と同様に、櫛歯溝電
極、引出電極および電極パッドが圧電支持梁の片面にの
み形成されているため、加工が容易となり、歩留まりも
よくなる。

【００４２】請求項４記載の発明は、櫛歯溝電極を設け
た２個の圧電支持梁で駆動し、２個の圧電支持梁でコリ
オリ力を検出するので、駆動効率および検出効率がよ
い。また、請求項１記載の発明と同様に、櫛歯溝電極、
引出電極および電極パッドが圧電支持梁の片面にのみ形
成されているため、加工が容易となり、歩留まりもよく
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の圧電振動子の斜視図

【図２】 図１のＸ−Ｘ線断面図

【図３】 本実施例の圧電振動子の分極処理および屈曲
振動の説明図

【図４】 本実施例の圧電振動子の製造方法を示すもの
で、支持基板と圧電基板を接着し、窒化シリコンのマス
クを形成する工程図

【図５】 同じく、圧電基板を研磨し、圧電支持梁の形
状に加工する工程図

【図６】 同じく、複数個の櫛歯電極用の溝を形成する
工程図

【図７】 同じく、溝に電極を形成し、同時の引出電極
および電極パッドを形成する工程図

【図８】 同じく、シリコの支持基板の不用部をエッチ
ング除去する工程図

【図９】 本発明の外力検知センサの第１実施例として
の加速度センサの斜視図

【図１０】 本発明の外力検知センサの第２実施例とし
ての角速度センサの斜視図

【図１１】 従来の圧電振動子の斜視図

【符号の説明】

１、１１ 支持基板 １ａ 中空部 ２ 圧電基板 ２ａ 基部 ３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 圧電支持梁 ４ 溝 ４ａ 溝電極 ５ａ、５ｂ 引出電極 ５ｃ、５ｄ 電極パッド ６、１２ａ 重り １０ 圧電振動子 １１ａ 窒化シリコン膜 １２ 圧電基板 ２０ 加速度センサ ２１ 積層板 ２１ａ 枠体 ３０ 角速度センサ ｋ 櫛歯溝電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基部が支持基板に支持された圧電支持梁
   の一つの主面に、梁軸と直交する複数本の溝が梁軸方向
   に一定間隔をおいて形成され、これらの複数本の溝には
   電極がそれぞれ形成され、これらの電極からは引出電極
   が互い違いに反対方向に引き出されて櫛歯溝電極が形成
   されていることを特徴とする圧電振動子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電振動子の前記圧電支
   持梁の先端に重りが形成されていることを特徴とする外
   力検知センサ。
3. 【請求項３】 支持基板と圧電基板との積層板が、中空
   部を有する枠体に形成され、前記中空部には前記圧電基
   板から伸びた一つ以上の圧電支持梁に支えられている重
   りが自由振動可能に形成され、前記圧電支持梁の一つの
   主面には、梁軸と直交する複数本の溝が梁軸方向に一定
   間隔をおいて形成され、これらの複数本の溝には電極が
   それぞれ形成され、これらの電極からは引出電極が互い
   違いに反対方向に引き出されて櫛歯溝電極が形成されて
   いることを特徴とす外力検知センサ。
4. 【請求項４】 前記圧電支持梁が一対の駆動用と一対の
   検知用とで構成され、前記一対の駆動用圧電支持梁は前
   記重りを介し対向して配置され、前記一対の検知用圧電
   支持梁は、前記重りを介し対向して配置されると共に前
   記一対の駆動用圧電支持梁と直角の配置関係を有するこ
   とを特徴とする請求項３記載の外力検知センサ。