JP2008224630A - Angular velocity sensor, its manufacturing method, and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置における動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに用いられる角速度センサに関し、詳しくは、音叉型の振動アームを有する小型の角速度センサ、角速度センサの製造方法及び電子機器に関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor used for, for example, a camera shake detection of a video camera, an operation detection in a virtual reality device, a direction detection in a car navigation system, and more specifically, a small angular velocity sensor having a tuning fork type vibration arm, The present invention relates to a method for manufacturing an angular velocity sensor and an electronic apparatus.
従来より、民生用の角速度センサとしては、片持ちや両持ちの振動音片型振動子や、音叉型振動子を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子などで検出することによって角速度を検出する、いわゆる振動型のジャイロセンサ(以下、振動型ジャイロセンサと呼ぶ。)が、広く使用されている。 Conventionally, as an angular velocity sensor for consumer use, a Coriolis force generated by the influence of an angular velocity is obtained by vibrating a cantilever type vibrator or a tuning fork type vibrator with a predetermined resonance frequency as a piezoelectric element. A so-called vibration-type gyro sensor (hereinafter referred to as a vibration-type gyro sensor) that detects an angular velocity by, for example, the detection by a method or the like is widely used.
振動型ジャイロセンサは、単純な機構、短い起動時間、安価で製造可能といった利点を有しており、例えば、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載され、それぞれ手振れ検知、動作検知、方向検知などをする際のセンサとして活用されている。 The vibration-type gyro sensor has advantages such as a simple mechanism, a short start-up time, and low-cost manufacturing. For example, it is mounted on electronic devices such as a video camera, a virtual reality device, and a car navigation system. It is used as a sensor for motion detection and direction detection.
振動型ジャイロセンサは、搭載される電子機器の小型化、高性能化に伴い、小型化、高性能化が要求されている。例えば、電子機器の多機能化のため、他の用途で用いる各種センサと組み合わせて、振動型ジャイロセンサを一基板上に搭載させ、小型化を図るといった要請がある。 The vibration type gyro sensor is required to be downsized and improved in accordance with downsizing and high performance of electronic devices to be mounted. For example, in order to increase the functionality of electronic devices, there is a demand to reduce the size by mounting a vibration gyro sensor on one substrate in combination with various sensors used for other purposes.
従来は、振動子としてPZTなどの圧電材料を機械加工による薄片状に加工し、バネなどで保持し、電気信号を加えて振動させる構成のジャイロセンサが一般的であったが、小型化が難しかった。そこで、例えば基板にSiを使い、PZTをスパッタやゾルゲルなどで基板上に薄膜として形成し、さらに基板の所定部分に対するエッチングを行い、断面が方形状の4角柱の振動子を薄膜技術により一枚の基板から同時に多数個形成する技術が開発されている。 Conventionally, a gyro sensor has been generally used in which a piezoelectric material such as PZT is processed into a thin piece by machining, held by a spring, and vibrated by applying an electrical signal as a vibrator. However, downsizing is difficult. It was. Therefore, for example, Si is used for the substrate, PZT is formed as a thin film on the substrate by sputtering or sol-gel, etc., a predetermined portion of the substrate is etched, and a quadrangular prism vibrator having a rectangular cross section is formed by thin film technology. A technique for forming a large number of substrates simultaneously has been developed.
角速度を検出する振動子の形状としては、片持ち振動子、両持ち振動子などがあるが、ジャイロセンサはコリオリ力による微小な歪を検出する必要があるため、外部振動などに干渉を受けない構成が有利であり、片持ち振動子を並べた音叉型が開発されてきている(例えば特許文献1参照)。
特許文献1に示されたジャイロのように、3本の振動子の駆動に供する電極にそれぞれ電圧を印加する際、3本の振動子の駆動電極が仮に同じ面積で同じ位置に配置されているとすると、中央の振動子に対して、両側の振動子も同等の動作をする虞があり、振動のバランスがくずれ、振動子3本間でのモーメントのバランスが吊り合わず、3本の振動子から外部に振動の漏れが発生したり、ノイズ特性などが劣化する場合がある。
As in the gyro shown in
更に、駆動電極を供する電源に対しても、振動量と電極面積のバランスがくずれ、例えば駆動電力を与えた以上に共鳴動作により振動子の振動量が増えるような場合は振動子の振動により発生する電荷が電源に戻ってしまいノイズを発生することもある。 Furthermore, the balance between the amount of vibration and the electrode area is also lost for the power supply that provides the drive electrode. For example, if the vibration amount of the vibrator increases due to the resonance operation more than the drive power is applied, the vibration is caused by the vibrator The generated charge may return to the power source and generate noise.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、簡単な構成で外部に対して振動が漏れることがなく、ノイズ特性が良好な角速度センサ、角速度センサの製造方法及び電子機器を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor, a manufacturing method of the angular velocity sensor, and an electronic device that have a simple configuration and vibrations do not leak to the outside and have good noise characteristics. is there.
上記目的を達成するため、本発明に係る角速度センサは、第1のアーム領域及び前記第1のアーム領域に隣接するように第2のアーム領域が設けられた非圧電材料からなる基板と、前記基板上の前記第1のアーム領域に形成された第1の駆動用下層電極と、前記基板上の前記第2のアーム領域に形成された第2の駆動用下層電極と、前記第1の及び第2の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜を挟んで第1の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第1の駆動用上層電極と、前記圧電薄膜を挟んで第2の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第2の駆動用上層電極と、前記第1の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、前記第1の駆動用上層電極、前記第1の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第1の駆動領域の面積及び位置に対して、前記第2の駆動用上層電極、前記第2の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第2の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が前記第1のアーム領域の振動を打ち消すように規定されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an angular velocity sensor according to the present invention includes a first arm region and a substrate made of a non-piezoelectric material provided with a second arm region so as to be adjacent to the first arm region, A first driving lower layer electrode formed in the first arm region on the substrate; a second driving lower layer electrode formed in the second arm region on the substrate; A piezoelectric thin film formed on the second driving lower layer electrode, and a first driving upper layer electrode formed on the piezoelectric thin film so as to face the first driving lower layer electrode with the piezoelectric thin film interposed therebetween A second driving upper layer electrode formed on the piezoelectric film thin film so as to face the second driving lower layer electrode with the piezoelectric thin film interposed therebetween, and the first driving upper layer electrode sandwiched from both sides And a pair of detection electrodes formed on the piezoelectric thin film The second driving upper layer electrode with respect to the substantial area and position of the first driving upper layer electrode, the first driving lower layer electrode, and the piezoelectric thin film sandwiched between them. In addition, at least one of the area and the formation position of the second driving region substantially defined by the second driving lower layer electrode and the piezoelectric thin film sandwiched between the second driving lower layer electrode is defined so as to cancel the vibration of the first arm region. It is characterized by being.
本発明では、第1の駆動用上層電極、第1の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第1の駆動領域の面積及び位置に対して、第2の駆動用上層電極、第2の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第2の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が第1のアーム領域の振動を打ち消すように規定されているので、つまり実質的な第2の駆動領域の面積や形成位置を第1のアーム領域の振動を打ち消すように規定するように構成しさえすればよいので、簡単な構成で外部に対して振動が漏れることがなく、ノイズ特性も良好となる。 In the present invention, the second driving upper layer electrode, the first driving lower layer electrode, and the second driving upper layer electrode with respect to the substantial area and position of the first driving region formed by the piezoelectric thin film sandwiched between them. Since at least one of the area and the formation position of the second driving region by the second driving lower layer electrode and the piezoelectric thin film sandwiched between them is defined so as to cancel the vibration of the first arm region. That is, it is only necessary to define the area and formation position of the substantial second drive region so as to cancel the vibration of the first arm region, so that vibration leaks to the outside with a simple configuration. And noise characteristics are also improved.
前記第2のアーム領域は、前記第1のアーム領域を挟むように2つ設けられ、それぞれの前記第2のアーム領域に前記第2の駆動用上層電極、前記第2の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による第2の駆動領域が形成されていることがより好ましい。 Two second arm regions are provided so as to sandwich the first arm region, and each of the second arm regions includes the second driving upper layer electrode, the second driving lower layer electrode, and More preferably, a second drive region is formed by a piezoelectric thin film sandwiched between these.
本発明では、第2のアーム領域が第1のアーム領域を挟むように2つ設けられ、第1のアーム領域に対してこの2つの第2のアーム領域によって第1のアーム領域の振動を打ち消しているので、これらのアーム領域の振動によって回転モーメントが発生するようなことはなくなり、より正確な角速度の検出が可能となる。つまりアームを2本として一方を角速度を検出するためのアームとし、他方をそのアームの振動を打ち消すためのアームにする構成も本発明の範囲に含まれるものであるが、その場合には振動時にアーム間のバランスが悪く、回転モーメントが生じるおそれがある。これに対して、第2のアーム領域を第1のアーム領域を挟むように2つ設けられることで、このような回転モーメントが発生するようなことはなくなる。 In the present invention, two second arm regions are provided so as to sandwich the first arm region, and the vibration of the first arm region is canceled by the two second arm regions with respect to the first arm region. Therefore, no rotation moment is generated by the vibration of these arm regions, and the angular velocity can be detected more accurately. In other words, a configuration in which two arms are used and one is an arm for detecting angular velocity and the other is an arm for canceling the vibration of the arm is also included in the scope of the present invention. There is a risk that the balance between the arms is poor and a rotational moment is generated. In contrast, by providing two second arm regions so as to sandwich the first arm region, such a rotational moment is not generated.
その場合には、以下の形態が好ましい。
(1)第1の駆動領域とそれぞれの第2の駆動領域の形成位置をほぼ等しくして、第1の駆動領域とそれぞれの第2の駆動領域の面積比をほぼ2:1とする。
(2)第1の駆動領域とそれぞれの第2の駆動領域の面積をほぼ等しくして、それぞれの第2の駆動領域の形成位置を第1の駆動領域の形成位置よりも第1及び第2のアーム領域の基部からほぼ2倍離れさせる。
(3)第1及び第2のアーム領域の基部から先端部までを三等分し、第1のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの第1の駆動領域の面積を基部から順番にSca、Scb、Sccとし、第2のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの第2の駆動領域の面積を基部から順番にSsa、Ssb、Sscとし、更にSc=4×Sca+2×Scb+1×Scc、Ss=4×Ssa+2×Ssb+1×Sscとしたとき、ScとSsとの比をほぼ2:1とする。
In that case, the following forms are preferable.
(1) The formation positions of the first drive region and the respective second drive regions are substantially equal, and the area ratio between the first drive region and each of the second drive regions is approximately 2: 1.
(2) The areas of the first drive region and the respective second drive regions are made substantially equal, and the formation position of each of the second drive regions is more than the first and second formation positions than the formation position of the first drive region. The base of the arm region is about twice as far away.
(3) The first and second arm regions are divided into three equal parts from the base part to the tip part, and the areas of the respective first drive areas divided into three parts from the base part to the tip part of the first arm area from the base part. Sca, Scb, Scc in order, the area of each second drive region divided into three equal parts from the base part to the tip part of the second arm region, Ssa, Ssb, Ssc in order from the base part, and Sc = 4 × When Sca + 2 × Scb + 1 × Scc and Ss = 4 × Ssa + 2 × Ssb + 1 × Ssc, the ratio of Sc to Ss is approximately 2: 1.
本発明の別の観点に係る角速度センサの製造方法は、第1のアーム領域及び前記第1のアーム領域に隣接するように第2のアーム領域が設けられた非圧電材料からなる基板を形成する工程と、前記基板上の前記第1のアーム領域に第1の駆動用下層電極及び前記第2のアーム領域に第2の駆動用下層電極をそれぞれ形成する工程と、前記第1の及び第2の駆動用下層電極上に圧電薄膜を形成する工程と、前記圧電薄膜を挟んで第1の駆動用下層電極と対向するように第1の駆動用上層電極、前記圧電薄膜を挟んで第2の駆動用下層電極と対向するように第2の駆動用上層電極及び前記第1の駆動用上層電極を両側から挟むように一対の検出電極を前記圧電薄膜上に形成する工程とを具備し、前記第1の駆動用上層電極、前記第1の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第1の駆動領域の面積及び位置に対して、前記第2の駆動用上層電極、前記第2の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第2の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が前記第1のアーム領域の振動を打ち消すように規定されているを具備する。 In a method of manufacturing an angular velocity sensor according to another aspect of the present invention, a substrate made of a non-piezoelectric material provided with a first arm region and a second arm region so as to be adjacent to the first arm region is formed. Forming a first driving lower layer electrode in the first arm region and a second driving lower layer electrode in the second arm region on the substrate, and the first and second steps, respectively. Forming a piezoelectric thin film on the driving lower electrode, and a second driving upper electrode and the piezoelectric thin film so as to face the first driving lower electrode across the piezoelectric thin film. Forming a pair of detection electrodes on the piezoelectric thin film so as to sandwich the second driving upper layer electrode and the first driving upper layer electrode from both sides so as to face the driving lower layer electrode, First driving upper layer electrode, first driving lower layer The second driving upper layer electrode, the second driving lower layer electrode, and the piezoelectric thin film sandwiched between the second driving upper layer electrode and the area and position of the substantial first driving region by the pole and the piezoelectric thin film sandwiched therebetween At least one of the substantial area and the formation position of the second drive region is defined so as to cancel the vibration of the first arm region.
本発明の更に別の観点に係る電子機器は、第1のアーム領域及び前記第1のアーム領域に隣接するように第2のアーム領域が設けられた非圧電材料からなる基板と、前記基板上の前記第1のアーム領域に形成された第1の駆動用下層電極と、前記基板上の前記第2のアーム領域に形成された第2の駆動用下層電極と、前記第1の及び第2の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜を挟んで第1の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第1の駆動用上層電極と、前記圧電薄膜を挟んで第2の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第2の駆動用上層電極と、前記第1の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、前記第1の駆動用上層電極、前記第1の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第1の駆動領域の面積及び位置に対して、前記第2の駆動用上層電極、前記第2の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第2の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が前記第1のアーム領域の振動を打ち消すように規定されている角速度センサと、前記角速度センサを搭載する機器本体とを具備する。 An electronic device according to still another aspect of the present invention includes a first arm region, a substrate made of a non-piezoelectric material provided with a second arm region adjacent to the first arm region, and the substrate. A first driving lower layer electrode formed in the first arm region, a second driving lower layer electrode formed in the second arm region on the substrate, the first and second A piezoelectric thin film formed on the driving lower layer electrode, and a first driving upper layer electrode formed on the piezoelectric thin film so as to face the first driving lower layer electrode with the piezoelectric thin film interposed therebetween, A second driving upper layer electrode formed on the piezoelectric film thin film so as to face the second driving lower layer electrode with the piezoelectric thin film interposed therebetween, and the first driving upper layer electrode sandwiched from both sides A pair of detection electrodes formed on the piezoelectric thin film, the first electrode The second driving upper layer electrode, the second driving, with respect to the area and position of the substantial first driving region by the moving upper layer electrode, the first driving lower layer electrode, and the piezoelectric thin film sandwiched between them An angular velocity sensor in which at least one of the area and the formation position of the substantial second driving region by the lower layer electrode for use and the piezoelectric thin film sandwiched therebetween is defined to cancel the vibration of the first arm region; And a device main body on which the angular velocity sensor is mounted.
以上のように、本発明によれば、簡単な構成で外部に対して振動が漏れることがなく、簡単な構成で外部に対して振動が漏れることがなく、ノイズ特性も良好になる。 As described above, according to the present invention, vibrations do not leak to the outside with a simple configuration, vibrations do not leak to the outside with a simple configuration, and noise characteristics are improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の一実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図、図2はその概略側面図、図3は図1のA−A断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
1 is a plan view showing a configuration of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic side view thereof, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
これらの図に示すように、角速度センサ100は、第1のアーム領域111及び第1のアーム領域111の両側に隣接するように第2のアーム領域112、113が設けられた非圧電材料(例えばSi)からなる基板110と、基板110上の第1のアーム領域111に形成された第1の駆動用下層電極121と、基板110上の各第2のアーム領域112、113に形成された第2の駆動用下層電極122、123と、第1の及び第2の駆動用下層電極121、122、123上にそれぞれ形成された圧電薄膜131、132、133と、圧電薄膜131を挟んで第1の駆動用下層電極121と対向するように圧電膜薄膜131上に形成された第1の駆動用上層電極141と、各圧電薄膜132、133を挟んで各第2の駆動用下層電極122、123と対向するように圧電膜薄膜132、133上に形成された第2の駆動用上層電極142、143と、第1の駆動用上層電極141を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極151、152とからその主要部が構成される。
As shown in these drawings, the
基板110は、図中X方向に幅広でZ方向が厚い固定部114と、この固定部114の一辺に配設されたX方向に幅狭でZ方向が薄い駆動部保持部115と、この駆動部保持部115の先端側に配設され、駆動部保持部115より幅広で固定部114より幅狭で駆動部保持部115と同厚の駆動部116とを有する。
The
駆動部116は、駆動部本体と117と、駆動部本体117の先端側から突出した3本の上記第1のアーム領域111及び第2のアーム領域112、113とを有する。第1のアーム領域111及び第2のアーム領域112、113は、例えば長さと幅と厚さが等しく、例えば第1のアーム領域111と第2のアーム領域112との間隔と、第1のアーム領域111と第2のアーム領域113との間隔は、等しくされている。
The
各第1のアーム領域111及び第2のアーム領域112、113の基部(駆動部本体と117と連結した部分)において、上記の各電極121、122、123、141、142、143、151、152は、それぞれ別個のリード線161〜168に接続されている。これらのリード線161〜168は、駆動部保持部115表面を通り固定部114表面に設けられた各リード端子171〜178に接続されている。リード端子171〜178は、固定部114表面のX方向両端にそれぞれ4個づつ設けられている。
At the base of each
この実施形態では、第1の駆動用上層電極141、第1の駆動用下層電極121及びこれらに挟まれる圧電薄膜131による実質的な第1の駆動領域の面積S1とし、第2の駆動用上層電極142、143、第2の駆動用下層電極122、123及びこれらに挟まれる圧電薄膜132、133による実質的な第2の駆動領域の面積S2、S3としたとき、
S1:S2(=S3)=2:1
とされている。
In this embodiment, the first driving
S1: S2 (= S3) = 2: 1
It is said that.
ここで、「実質的な駆動面積」とは、図4に示すように、例えば第1の駆動用上層電極141の面積が圧電薄膜131の面積及び第1の駆動用下層電極121の面積よりも狭い場合には、第1の駆動用上層電極141の面積が「実質的な駆動面積」となる。また、図5に示すように、例えば圧電薄膜131の面積が第1の駆動用上層電極141の面積及び第1の駆動用下層電極121の面積よりも狭い場合には、圧電薄膜131の面積が「実質的な駆動面積」となる。図4に示すように、例えば第1の駆動用下層電極121の面積が圧電薄膜131の面積及び第1の駆動用上層電極141の面積よりも狭い場合には、第1の駆動用下層電極121の面積が「実質的な駆動面積」となる。なお、図5及び図6に示したような構成の場合には、面積が狭い部位にはスペーサ181を配置して平坦性を保つようにした方がより好ましい。
Here, the “substantially driving area” means, for example, that the area of the first driving
この実施形態では、上記の図4に示した構成を採用している。すなわち、図7に示すように、第1の駆動用上層電極141の幅W1と第2の駆動用上層電極142、143の幅W2とを等しくして、第1の駆動用上層電極141の長さL1を第2の駆動用上層電極142、143の長さL2の2倍とすることで、S1:S2(=S3)=2:1を実現していいる。
In this embodiment, the configuration shown in FIG. 4 is adopted. That is, as shown in FIG. 7, the width W1 of the first driving
このように構成された角速度センサ100では、中央の第1のアーム領域111がコリオリ力を検出するための振動子として機能し、両側の第2のアーム領域112、113は第1のアーム領域111の振動を抑制する振動子として機能する。つまり、3本の振動子を使って、コリオリ力を検出しつつ、振動を抑制し、振動漏れが発生しないようにしている。より具体的には、中央の振動子と両側の振動子を位相を逆に動作させる。
In the
ここで、中央の振動子を両側2本の振動子の2倍の振動量になるように動作させると3本の振動子内で動作モーメントが吊り合い、外部に対して振動が漏れることがなくなり、その効果として振動が外部環境などに対して安定化する動作が可能となる。 Here, if the center vibrator is operated so that the amount of vibration is twice that of the two vibrators on both sides, the operating moment is suspended in the three vibrators, and the vibration does not leak to the outside. As an effect, it is possible to stabilize the vibration against the external environment.
しかし、例えば3本の振動子の駆動に供する電極にそれぞれ電圧を印加する際、3本の振動子が類似の形状を持つ振動子である場合で同じ面積で駆動電極の配置を行うときには、中央の振動子に対して、両側の振動子も同等の動作をする虞があり、振動のバランスがくずれ、振動子3本間でのモーメントのバランスが吊り合わず、3本の振動子から外部に振動が漏れ、ノイズ特性などが劣化する場合がある。更に、駆動電源を供する電源に対しても、振動量と電極面積のバランスがくずれ、例えば駆動電力を与えた以上に共鳴動作により振動子の振動量が増えるような場合は振動子の振動により発生する電荷が電源に戻ってしまいノイズを発生することもある。 However, for example, when applying voltages to the electrodes for driving the three vibrators, when the three vibrators are vibrators having similar shapes and the drive electrodes are arranged with the same area, There is a possibility that the vibrators on both sides may perform the same operation with respect to this vibrator, the balance of vibration is lost, and the balance of moments between the three vibrators is not balanced. May leak and noise characteristics may deteriorate. Furthermore, the balance between the amount of vibration and the electrode area is also lost for the power supply that supplies the drive power. For example, if the amount of vibration of the vibrator increases due to the resonance operation more than when the drive power is applied, the vibration is generated The generated charge may return to the power source and generate noise.
そこで、本実施形態に係る角速度センサ100では、図8に示すように、3本の振動子A、B、Cの駆動量を両側の振動子B、Cが中央の振動子Aの半分の振幅となるよう、それぞれの振動子A、B、Cに配置する駆動電極(駆動領域)の面積を最適化するものである。すなわち、本実施形態に係る角速度センサ100では、既に説明したとおり図7に示した構成としている。このような構成では、図9に示すように、コリオリ力F1、F2、F3が加わった場合にも、動作モーメントは横方向、縦方向どうしは相殺され、さらに3本の振動子A、B、Cの中心を軸として発生する回転モーメントも図9では楕円運動の横方向を強調して描いているが、実質使用する際の角速度領域では横方向の力は小さいため、両側の振動子B、Cにより発生する回転モーメントは殆ど相殺し合うが、図9の場合では右回りのモーメントが若干発生し、さらに中央の振動子からのモーメントも中心からの距離が小さいのでモーメントとしてはやはり小さいが右回りのモーメントを発生し、若干モーメントは残る。ただし、例えば横方向に振動を励起した場合に比べると回転モーメント量は小さい。
Therefore, in the
なお、このような角度センサ100は例えば以下の工程を経て製造される。
まず、基板110の全面に下層電極を形成する。次に、その上部に圧電薄膜をスパッタ(またはゾルゲル)により全面に形成する。次に、上層電極もその上に全面に形成する。その後上層電極をエッチングし、各振動子の駆動電極と中央の振動子には検出電極となるよう形状形成する。更に、不要な圧電薄膜もエッチングで除去し、下層電極も不要部を除去した後、各駆動、検出電極に対する上層と下層電極をそれぞれ信号取り出しを行うためのランドまで配線を形成する。その後振動子の外形を決めるための基板110のエッチングを行って振動子を形成する。
In addition, such an
First, a lower layer electrode is formed on the entire surface of the
(第2の実施の形態)
角速度センサにおける振動子の駆動の効果は、駆動電極の場所により振動子駆動に寄与する効率が異なる。図10に示すように、振動子D、E、Fを長手方向に根元部エリアZaと中央エリアZbと先端エリアZcとに3等分した場合、駆動電極Gの場所が根元部エリアZaと中央エリアZbと先端エリアZcとでは、図11に示すように、Za:Zb:Zcは4:2:1の寄与となる。図11において、その寄与として、各振動子D、E、Fの先端の振動量で表している。
(Second Embodiment)
The effect of driving the vibrator in the angular velocity sensor differs in efficiency that contributes to vibrator driving depending on the location of the drive electrode. As shown in FIG. 10, when the vibrators D, E, and F are equally divided into the root part area Za, the central area Zb, and the tip area Zc in the longitudinal direction, the drive electrode G is located at the center and the root part area Za. In the area Zb and the tip area Zc, as shown in FIG. 11, Za: Zb: Zc contributes 4: 2: 1. In FIG. 11, the contribution is represented by the vibration amount at the tip of each transducer D, E, F.
図12はこの点を着目した第2の実施形態に係る角度センサにおける駆動部の構成を示す図である。
図12に示すように、この駆動部116においては、3本の振動子A、B、Cの駆動電極Gの面積を等しくして、それぞれの振動子B、Cの駆動電極Gの形成位置を振動子Aの電極Gの形成位置よりも振動子A、B、Cの基部から2倍離れさせている。なお、図12において、上記の第1の実施形態に係る角速度センサと同一の要素には同一の符号を付してある。また、図12においては、駆動部116について記載しているが、他の部位については上記の第1の実施形態に係る角速度センサと同一の構成とすることができる。
FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the drive unit in the angle sensor according to the second embodiment focusing on this point.
As shown in FIG. 12, in the
この実施形態に係る角速度センサにおいても、3本の振動子A、B、Cの駆動量を両側の振動子B、Cが中央の振動子Aの半分の振幅となるようにしているので、コリオリ力を検出しつつ、振動を抑制し、振動漏れが発生することはない。 Also in the angular velocity sensor according to this embodiment, the driving amounts of the three vibrators A, B, and C are set so that the vibrators B and C on both sides have half the amplitude of the central vibrator A. While detecting force, vibration is suppressed and vibration leakage does not occur.
(第3の実施の形態)
3本の振動子A、B、Cに対して同じ幅で駆動電極Gの形成を行い、長さを同じにした角速度センサH、中央振動子Aの駆動電極Gの長さに対して両側の振動子B、Cの電極Gの長さを半分にした角速度センサIを作成した。
(Third embodiment)
The drive electrodes G are formed with the same width for the three vibrators A, B, and C, the angular velocity sensor H having the same length, and the lengths of the drive electrodes G of the central vibrator A are on both sides. An angular velocity sensor I in which the length of the electrode G of the vibrators B and C was halved was created.
その結果、図13に示すように、HではIに比べ振動子を保持する固定部114(図1参照)での振動が大きくなっており、角速度センサの拘束状態の変動により出力の変動が見られた。また、図14に示すように、ノイズ、応答性についてもバラツキが大きくなり、振動が不安定となっている結果となった。さらに、中央の振動子Aの検出電極151、152の形状を根元側に配置する割合を増やすために根元側の幅を広げ、その代わりに駆動電極Gについては、根元部の幅を狭くした構成を持つ振動子を作成したところ、3本の振動子間の振動バランスがずれたことが確認された。
As a result, as shown in FIG. 13, in H, the vibration in the fixing portion 114 (see FIG. 1) that holds the vibrator is larger than in I, and the fluctuation in output is observed due to the fluctuation in the restrained state of the angular velocity sensor. It was. Further, as shown in FIG. 14, the noise and responsiveness also vary widely, resulting in unstable vibration. Furthermore, in order to increase the ratio of the shape of the
そこで、駆動電極Gの位置を振動子の固定端と自由端を結ぶ長さ方向に沿って3分割し、その各部に駆動部を配置して振動量を確認したところ、根元部に配置した際の振動量を1とした場合に、中央部は1/2、自由端に近い先端部は1/4の振動量となることが判明し、さらに幅方向については幅に単に比例して振幅が大きくなることが判明した。 Therefore, when the position of the drive electrode G is divided into three along the length direction connecting the fixed end and the free end of the vibrator, and the amount of vibration is confirmed by arranging the drive unit in each part, When the amount of vibration is set to 1, it has been found that the center portion has a vibration amount of 1/2 and the tip portion near the free end has a vibration amount of 1/4, and the amplitude in the width direction is simply proportional to the width. It turned out to be bigger.
ここで、各部の振動寄与効率分を考慮して、各振動子A、B、Cに配置する駆動電極Gの面積を3分割し、その3分割した範囲内の面積に、先端は1、中央は2、根元は4の係数を掛けた面積の和の中央と両端の比率が2:1になるような構成としたところ、各振動子A、B、Cで駆動電極Gの幅が異なる場合や、3角形や台形など長方形以外の各種駆動電極Gの形状で形成せざるを得ない場合にも中央の振動子Aと両端の振動子B、Cが2:1となる振動が形成され、振動が振動子内で収まり、外部の振動に対しても影響を受けにくい角速度センサが構成できた。 Here, in consideration of the vibration contribution efficiency of each part, the area of the drive electrode G arranged in each vibrator A, B, C is divided into three, and the tip is centered on the area within the divided range. When the ratio of the center and both ends of the sum of the areas multiplied by a factor of 2 is 2: 1, the width of the drive electrode G is different for each transducer A, B, and C. In addition, even when it is necessary to form various drive electrodes G other than a rectangle, such as a triangle or a trapezoid, a vibration in which the central vibrator A and the vibrators B and C at both ends are 2: 1 is formed. An angular velocity sensor was constructed in which vibrations were confined within the vibrator and were not easily affected by external vibrations.
図15はこの点に着目した第3の実施形態に係る角度センサにおける駆動部の構成を示す図である。
図15に示すように、この駆動部116においては、それぞれの振動子A、B、Cの基部から先端部までを三等分し、振動子Aの基部から先端部まで三等分したそれぞれの駆動電極Gの面積を基部から順番にSca、Scb、Sccとし、振動子B、Cの基部から先端部まで三等分したそれぞれの駆動電極Gの面積を基部から順番にSsa、Ssb、Ssc(ここではSscは存在しない)とし、更にSc=4×Sca+2×Scb+1×Scc、Ss=4×Ssa+2×Ssb+1×Sscとしたとき、ScとSsとの比を2:1としている。
FIG. 15 is a diagram showing the configuration of the drive unit in the angle sensor according to the third embodiment, paying attention to this point.
As shown in FIG. 15, in this
この実施形態に係る角速度センサにおいても、同様に3本の振動子A、B、Cの駆動量を両側の振動子B、Cが中央の振動子Aの半分の振幅となるようにしているので、コリオリ力を検出しつつ、振動を抑制し、振動漏れが発生することや外部からの振動の影響をうけることはない。 Also in the angular velocity sensor according to this embodiment, the driving amounts of the three vibrators A, B, and C are similarly set so that the vibrators B and C on both sides have half the amplitude of the central vibrator A. While detecting the Coriolis force, the vibration is suppressed and vibration leakage does not occur or the influence of external vibration is not received.
(第4の実施の形態)
図16はこの実施形態に係る駆動部116の構成を示す図である。
図16に示すように、この駆動部116では、各振動子A、B、Cの長手方向の長さ(アームの長さ)L4(全て等しい)に対して、各振動子A、B、Cの駆動電極Gの長手方向の長さL5(全て等しい)が0.2〜0.4、より好ましくは0.25とされている。
(Fourth embodiment)
FIG. 16 is a diagram showing the configuration of the
As shown in FIG. 16, in this
ここで、図17に示すように、駆動電極Gが長い場合ドライブ電流が増え、短すぎる場合振幅を増やすために交流電圧が増加する。これは、駆動電極の長さに対してインピーダンスは反比例する。つまり駆動用の交流電圧が一定の場合流れる電流値は電極の長さと比例関係がある。一方検出信号と電極の長さは比例関係にならずある長さ以上になると検出信号は飽和してゆく。これは振動子の先端部についた圧電膜に交流信号を印加しても振動への変換効率が悪いためである。 Here, as shown in FIG. 17, when the drive electrode G is long, the drive current increases, and when it is too short, the AC voltage increases to increase the amplitude. This is because the impedance is inversely proportional to the length of the drive electrode. That is, the value of the current that flows when the driving AC voltage is constant is proportional to the length of the electrode. On the other hand, the length of the detection signal and the electrode is not proportional to each other, and the detection signal is saturated when the length exceeds a certain length. This is because even if an AC signal is applied to the piezoelectric film attached to the tip of the vibrator, the conversion efficiency into vibration is poor.
そこで、図18に示すように、最適点を電圧×電流の電力の観点で注目すると、振動子の長さに対して0.25程度が最適になる駆動電極の長さであることがわかる。これは図の検出信号の傾きが調度1になるポイントである。振動子の長さに対しての比が0.2〜0.4になるように駆動電極長さに設計すると、アーム全面に電極をつけた場合の電力的に半分以下になることがわかる。例えば、この例では、振動子の長さが1900μmであるが、一般に片持ち梁や音叉型振動子が共振しで振動する場合のモードは一定であるため、動作電力を最小にする電極長さの全長に対しての比は同じになる。 Therefore, as shown in FIG. 18, when the optimum point is noted from the viewpoint of voltage × current power, it can be seen that about 0.25 is the optimum drive electrode length with respect to the length of the vibrator. This is the point at which the slope of the detection signal in the figure becomes the unity. It can be seen that when the drive electrode length is designed so that the ratio to the length of the vibrator is 0.2 to 0.4, the power is less than half when the electrode is attached to the entire arm surface. For example, in this example, the length of the vibrator is 1900 μm. However, since the mode in which the cantilever or tuning fork vibrator vibrates by resonance is constant, the electrode length that minimizes the operating power is used. The ratio to the total length is the same.
すなわち、駆動電極の面積が増大するにしたがってインピーダンスが低下し駆動電極を通ってICの端子に流れ込む電流が増加する。そのためにICの設計として電流能力が十分に保てるように設計する必要が発生しICに負担が掛かる。そこで、本実施形態によれば、振動子を動作させるためのIC消費電力を低減する効率のよい振動子を提供することが可能となる。 That is, as the area of the drive electrode increases, the impedance decreases and the current flowing through the drive electrode into the IC terminal increases. Therefore, it is necessary to design the IC so that the current capability can be sufficiently maintained, which places a burden on the IC. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide an efficient vibrator that reduces IC power consumption for operating the vibrator.
(第5の実施の形態)
次に、上記実施形態の角速度センサ100を備えたセンサモジュールを具備する電子機器について説明する。
図19は第5の実施の形態に係る電子機器の斜視図、図20は図19の電子機器のブロック図である。
この電子機器は、例えばデジタルカメラ400である。図19に示すように、デジタルカメラ400は、角速度センサ100を備えたセンサモジュール500と、センサモジュール500を搭載する機器本体501とを備えている。機器本体501は、例えば、金属製、樹脂製などのフレームまたは筐体である。
(Fifth embodiment)
Next, an electronic apparatus including a sensor module including the
FIG. 19 is a perspective view of an electronic device according to the fifth embodiment, and FIG. 20 is a block diagram of the electronic device of FIG.
This electronic device is a
図20に示すように、デジタルカメラ400は、センサモジュール500と、制御部510と、レンズなどを備える光学系520と、CCD530、光学系520に対して手振れ補正を実行する手振れ補正機構540とを有する。
As shown in FIG. 20, the
センサモジュール500によって、X方向及びY方向のコリオリ力が検出される。制御部510は、この検出されたコリオリ力に基づき手振れ補正機構540を使って光学系520で手振れの補正を行う。
The
図21は図19のセンサモジュール500の分解斜視図である。
図21に示すように、このセンサモジュール500は、基板201と、上蓋301とを有する。
基板201は、小型化による微細パターンへの対応と、熱膨張に対する形状安定性の観点から、例えばアルミナ(Al2O3)などのセラミック材料が用いられる。
FIG. 21 is an exploded perspective view of the
As shown in FIG. 21, the
For the
基板201には、角速度センサ100と、駆動検出用ベアチップIC214と、チップCR部品215等が実装されている。角速度センサ100は、基板201のX方向に沿った辺に沿うように配置されている。このX軸の角速度センサ100の近傍に駆動検出用ベアチップIC214が配置されている。角速度センサ100は、基板201のY方向に沿った辺に沿うように配置されている。駆動検出用ベアチップIC214は、基板201のほぼ中央に配置されている。
On the
センサモジュール500では、XYの2軸に対する角速度センサを同一パッケージ内に実装している。この実施形態では、X軸検出用の角速度センサ1は、例えば36kHz付近、Y軸検出用の角速度センサ1は、例えば39kHz付近の共振周波数でそれぞれ振動するように構成されている。これにより、デジタルカメラ400がX軸、Y軸の周りに回転するときの角速度を正確に検出することができる。
In the
例えば、上記各実施の形態に係る角速度センサを搭載する電子機器としては、デジタルカメラの他に、例えば、ラップトップ型のコンピュータ、PDA(Personal Digital Assistance)、電子辞書、オーディオ/ビジュアル機器、プロジェクタ、携帯電話、ゲーム機器、カーナビゲーション機器、ロボット機器、その他の電化製品等が挙げられる。 For example, as an electronic device equipped with the angular velocity sensor according to each of the above embodiments, in addition to a digital camera, for example, a laptop computer, a PDA (Personal Digital Assistance), an electronic dictionary, an audio / visual device, a projector, Examples include mobile phones, game devices, car navigation devices, robot devices, and other electrical appliances.
100 角速度センサ
110 基板
111 第1のアーム領域
112、113 第2のアーム領域
121 第1の駆動用下層電極
122、123 第2の駆動用下層電極
131、132、133 圧電薄膜
141 第1の駆動用上層電極
142、143 第2の駆動用上層電極
151、152 検出電極
100
Claims (7)
前記基板上の前記第1のアーム領域に形成された第1の駆動用下層電極と、
前記基板上の前記第2のアーム領域に形成された第2の駆動用下層電極と、
前記第1の及び第2の駆動用下層電極上に形成された圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を挟んで第1の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第1の駆動用上層電極と、
前記圧電薄膜を挟んで第2の駆動用下層電極と対向するように前記圧電膜薄膜上に形成された第2の駆動用上層電極と、
前記第1の駆動用上層電極を両側から挟むように前記圧電薄膜上に形成された一対の検出電極とを具備し、
前記第1の駆動用上層電極、前記第1の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第1の駆動領域の面積及び位置に対して、前記第2の駆動用上層電極、前記第2の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第2の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が前記第1のアーム領域の振動を打ち消すように規定されている
ことを特徴とする角速度センサ。 A substrate provided with a second arm region so as to be adjacent to the first arm region and the first arm region;
A first driving lower layer electrode formed in the first arm region on the substrate;
A second driving lower layer electrode formed in the second arm region on the substrate;
A piezoelectric thin film formed on the first and second driving lower electrodes;
A first driving upper layer electrode formed on the piezoelectric film thin film so as to face the first driving lower electrode across the piezoelectric thin film;
A second driving upper layer electrode formed on the piezoelectric film thin film so as to face the second driving lower electrode across the piezoelectric thin film;
A pair of detection electrodes formed on the piezoelectric thin film so as to sandwich the first driving upper layer electrode from both sides;
The second driving upper layer electrode, the first driving lower layer electrode, and the second driving upper layer electrode with respect to the substantial area and position of the first driving region by the piezoelectric thin film sandwiched between the first driving upper layer electrode, the first driving lower layer electrode, At least one of the area and the formation position of the substantial second driving region by the second driving lower layer electrode and the piezoelectric thin film sandwiched between them is defined so as to cancel the vibration of the first arm region. An angular velocity sensor.
前記第2のアーム領域は、前記第1のアーム領域を挟むように2つ設けられ、
それぞれの前記第2のアーム領域に前記第2の駆動用上層電極、前記第2の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による第2の駆動領域が形成されている
ことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
Two of the second arm regions are provided so as to sandwich the first arm region,
An angular velocity characterized in that a second driving region is formed by the second driving upper layer electrode, the second driving lower layer electrode, and a piezoelectric thin film sandwiched between the second driving upper layer electrode and the second driving region. Sensor.
前記第1の駆動領域とそれぞれの前記第2の駆動領域の形成位置はほぼ等しく、
前記第1の駆動領域とそれぞれの前記第2の駆動領域の面積比がほぼ2:1である
ことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 2,
The formation positions of the first drive region and the respective second drive regions are substantially equal,
The angular velocity sensor, wherein an area ratio between the first drive region and each of the second drive regions is approximately 2: 1.
前記第1の駆動領域とそれぞれの前記第2の駆動領域の面積はほぼ等しく、
それぞれの前記第2の駆動領域の形成位置が前記第1の駆動領域の形成位置よりも前記第1及び第2のアーム領域の基部からほぼ2倍離れている
ことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 2,
The areas of the first drive region and each of the second drive regions are approximately equal,
The angular velocity sensor characterized in that the formation position of each of the second drive areas is approximately twice as far from the base of the first and second arm areas as the formation position of the first drive area.
前記第1及び第2のアーム領域の基部から先端部までを三等分し、前記第1のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの前記第1の駆動領域の面積を基部から順番にSca、Scb、Sccとし、前記第2のアーム領域の基部から先端部まで三等分したそれぞれの前記第2の駆動領域の面積を基部から順番にSsa、Ssb、Sscとし、更にSc=4×Sca+2×Scb+1×Scc、Ss=4×Ssa+2×Ssb+1×Ssc
としたとき、
ScとSsとの比がほぼ2:1である
ことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 2,
The first and second arm regions are divided into three equal parts from the base part to the tip part, and the areas of the first drive areas divided into three parts from the base part to the tip part of the first arm area are divided from the base part. Sca, Scb, Scc in order, the area of each of the second drive regions divided into three equal parts from the base to the tip of the second arm region is Ssa, Ssb, Ssc in order from the base, and Sc = 4 × Sca + 2 × Scb + 1 × Scc, Ss = 4 × Ssa + 2 × Ssb + 1 × Ssc
When
An angular velocity sensor characterized in that the ratio of Sc and Ss is approximately 2: 1.
前記基板上の前記第1のアーム領域に第1の駆動用下層電極及び前記第2のアーム領域に第2の駆動用下層電極をそれぞれ形成する工程と、
前記第1の及び第2の駆動用下層電極上に圧電薄膜を形成する工程と、
前記圧電薄膜を挟んで第1の駆動用下層電極と対向するように第1の駆動用上層電極、前記圧電薄膜を挟んで第2の駆動用下層電極と対向するように第2の駆動用上層電極及び前記第1の駆動用上層電極を両側から挟むように一対の検出電極を前記圧電薄膜上に形成する工程とを具備し、
前記第1の駆動用上層電極、前記第1の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第1の駆動領域の面積及び位置に対して、前記第2の駆動用上層電極、前記第2の駆動用下層電極及びこれらに挟まれる圧電薄膜による実質的な第2の駆動領域の面積及び形成位置のうち少なくとも一方が前記第1のアーム領域の振動を打ち消すように規定されている
ことを特徴とする角速度センサの製造方法。 Forming a substrate provided with a second arm region adjacent to the first arm region and the first arm region;
Forming a first driving lower layer electrode in the first arm region on the substrate and a second driving lower layer electrode in the second arm region;
Forming a piezoelectric thin film on the first and second driving lower electrodes;
A first driving upper layer electrode facing the first driving lower layer electrode across the piezoelectric thin film, and a second driving upper layer facing the second driving lower layer electrode across the piezoelectric thin film Forming a pair of detection electrodes on the piezoelectric thin film so as to sandwich the electrode and the first driving upper layer electrode from both sides,
The second driving upper layer electrode, the first driving lower layer electrode, and the second driving upper layer electrode with respect to the substantial area and position of the first driving region by the piezoelectric thin film sandwiched between the first driving upper layer electrode, the first driving lower layer electrode, At least one of the area and the formation position of the substantial second driving region by the second driving lower layer electrode and the piezoelectric thin film sandwiched between them is defined so as to cancel the vibration of the first arm region. A manufacturing method of an angular velocity sensor characterized by the above.
前記角速度センサを搭載する機器本体と
を具備することを特徴とする電子機器。 A substrate provided with a second arm region so as to be adjacent to the first arm region and the first arm region, and a first driving lower layer electrode formed in the first arm region on the substrate A second driving lower layer electrode formed in the second arm region on the substrate, a piezoelectric thin film formed on the first and second driving lower electrodes, and the piezoelectric thin film A first driving upper layer electrode formed on the piezoelectric thin film so as to face the first driving lower layer electrode, and a second driving lower electrode sandwiched between the piezoelectric thin film. A second driving upper layer electrode formed on the piezoelectric thin film; and a pair of detection electrodes formed on the piezoelectric thin film so as to sandwich the first driving upper layer electrode from both sides, First driving upper layer electrode, first driving lower layer electrode, and sandwiched between them The second driving upper layer electrode, the second driving lower layer electrode, and the substantially second piezoelectric thin film sandwiched between the second driving upper layer electrode and the area and position of the first driving region by the piezoelectric thin film. An angular velocity sensor in which at least one of the area and the formation position of the drive region is defined so as to cancel the vibration of the first arm region;
An electronic device comprising: a device main body on which the angular velocity sensor is mounted.
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