JP2010145121A - 圧電振動子および振動ジャイロ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械結合係数を改善した、屈曲振動を利用する圧電振動子、および、安定した感度が得られる振動ジャイロ装置の提供を図る。
【解決手段】振動ジャイロ装置１は、圧電基板３と上面電極２と下面電極４とを備え、上面電極２と下面電極４との電位差に応じて主面法線方向に振動する。下面電極４は、電気機械結合係数が下限極値となる値から外した電極厚である。ここで、上面電極２には周波数信号が印加されるものであり、下面電極４は基準電位に接続されるものである。この振動ジャイロ装置の電気機械結合係数は下面電極４の電極厚を変更することで変化して電気機械結合係数の下限極値を示し、電気機械結合係数が下限極値となる値から下面駆動電極の電極厚が外れると、電気機械結合係数がクリップする値まで急峻に立ち上がる特性を有するものである。
【選択図】図３

Description

この発明は、板状の圧電基板の両主面に設けた電極に周波数信号を印加することで主面法線方向の振動が励起する圧電振動子と、その圧電振動子にコリオリの力を作用させることで電気機械振動により励起する検出信号から、圧電振動子の回転角速度を検出する振動ジャイロ装置とに関する。

フィルタやジャイロでは、電気機械振動する圧電体が利用されることがある。圧電体の主面に垂直な方向の変位を有する屈曲振動を利用する圧電振動子では、板状の圧電基板の両主面に設けた電極に周波数信号を印加することで主面法線方向の屈曲振動が励起する。特にジャイロに用いられる圧電振動子の場合には、その振動方向に垂直な方向に作用するコリオリの力によって圧電振動子に励起する検出信号から、圧電振動子の回転を検出することになる。

ジャイロの場合、回転の検出精度は圧電振動子の機械振幅と電圧の変換効率に依拠する。このため、圧電振動子の主要な特性である電気機械結合係数を高めて、機械振幅と電圧変換効率とを増大させる要望がある。従来、屈曲振動を利用せずに、電極と空気との界面で全反射するバルク波の振動を利用するタイプの圧電体においては、圧電基板の下面駆動電極を上面駆動電極よりも厚くすることで圧電体の電気機械結合係数を大きくすることがあった（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−３１９４７９号公報

一方、屈曲振動を利用する圧電振動子においては、上記特許文献のバルク波の場合と異なる振動形態であるので、圧電振動子の電気機械結合係数を改善するための方策は、上記特許文献のバルク波の場合と必ずとも一致しない。

そこで、発明者は鋭意研究を進めることで、屈曲振動を利用する圧電振動子では、下面駆動電極の電極厚の変更に対する電気機械結合係数の変化が、特定の極値を有することを見出し、この発明の技術的思想の創作に至った。

本発明は電気機械結合係数を改善した、屈曲振動を利用する圧電振動子、および、安定した感度が得られる振動ジャイロ装置の提供を目的とする。

この発明は、圧電基板と上面駆動電極と下面駆動電極とを備え、上面駆動電極と下面駆動電極との電位差に応じて主面法線方向に振動する圧電振動子であって、下面駆動電極は、電気機械結合係数が下限極値となる値から外した電極厚である。ここで、上面駆動電極には周波数信号が印加されるものであり、下面駆動電極は基準電位に接続されるものである。電気機械結合係数は下面駆動電極の電極厚を変更することで変化し、電気機械結合係数が下限極値となる値から下面駆動電極の電極厚が外れると、電気機械結合係数がクリップする値まで急峻に立ち上がる特性を有するものである。

この圧電振動子は、上記特性を有するため、下面駆動電極の電極厚に応じて変化する共振周波数の下限極値付近でのみ、電気機械結合係数が低下する。したがって、下面駆動電極を、電気機械結合係数が下限極値となる値から外した電極厚とすることにより、電気機械結合係数を改善できる。

電気機械結合係数は下面駆動電極の電極厚を変更することで変化し、電気機械結合係数の上限極値を有するものであり、下面駆動電極は、電気機械結合係数が上限極値となる電極厚であると好適である。このように電気機械結合係数が上限極値となる電極厚に下面駆動電極を設定することで、電気機械結合係数を最大化できる。

圧電基板をニオブ酸リチウムの単結晶とし、下面駆動電極をタングステン電極とすると好適である。ニオブ酸リチウムの単結晶は、電気機械結合係数が大きい。タングステン電極は融点が高いため熱負荷による電極の拡散を抑えられ、比重が大きく固有音響インピーダンスが大きいため圧電振動子に励起する弾性波機械振動のダンピングを抑えられる。アルミニウム電極は比抵抗が小さいので、圧電振動子の直列等価抵抗を抑えられる。

この発明の振動ジャイロ装置は、上述の圧電振動子と、圧電振動子に周波数信号を印加する駆動部と、圧電振動子に作用するコリオリの力を検出する検出部と、を備えると好適である。上述の電気機械結合係数の大きい圧電振動子を利用することで、ジャイロの感度を安定させられる。

この発明によれば、屈曲振動を利用する圧電振動子の下面駆動電極を、電気機械結合係数が下限極値となる値から外した電極厚とすることで、電気機械結合係数を改善できる。

本発明の第1の実施形態に係る振動ジャイロ装置について説明する。図１は振動ジャイロ装置の構成例を示す図である。図１（Ａ）は上面図、図１（Ｂ）は中央断面図、図１（Ｃ）はＡ−Ａ’断面図、図１（Ｄ）はＢ−Ｂ’断面図である。

振動ジャイロ装置１は、直交２軸（Ｘ軸およびＹ軸）を回転軸とする回転を検出可能なように、Ｘ軸を対称軸として線対称形、且つ、Ｙ軸を対称軸として線対称形に構成している。また、Ｘ−Ｙ面に垂直なＺ軸に沿って下から順に、支持基板５、下面電極４、圧電基板３、および上面電極２を積層して構成している。

支持基板５および圧電基板３は右手系のオイラー角で（０°，５０°，０°）のニオブ酸リチウム（LiNbO₃）基板であり、支持基板５は０．３４mm厚、圧電基板３は１μm厚である。ニオブ酸リチウムを採用することで振動子の電気機械結合係数とＱ値とを大きくでき良好な感度特性が得られる。なお、ニオブ酸リチウムに替えて、タンタル酸リチウムを採用すれば感度と温度特性のバランスを改善でき、水晶を採用すれば温度安定性を改善できる。下面電極４はタングステン（W）電極であり、上面電極２はアルミニウム（Al）電極である。タングステン電極は融点が高いため熱負荷による電極の拡散を抑えられ、比重が大きく固有音響インピーダンスが大きいため圧電振動子に励起する弾性波機械振動のダンピングを抑えられる。アルミニウム電極は比抵抗が小さいので、圧電振動子の直列等価抵抗を抑えられる。

圧電基板３は圧電体主面（Ｘ−Ｙ面）から見て、内側領域３Ａと枠状領域３Ｂと外側領域３Ｃとに区分される。枠状領域３Ｂは内径４００μm、外径５００μmの円形内形・円形外形の枠状である。内側領域３Ａは直径３００μmの円形であり、下面電極４を介して支持基板５に接合している。外側領域３Ｃは内径６００μmの円形内形・矩形外形であり、下面電極４を介して支持基板５に接合している。内側領域３Ａと枠状領域３Ｂとの間には４つの内側開放孔３１と４つの内側梁部３２とを設けていて、外側領域３Ｃと枠状領域３Ｂとの間には４つの外側開放孔３３と４つの内側梁部３２とを設けている。内側梁部３２と外側梁部３４とは、Ｘ−Ｙ面におけるＸ軸正方向を０°として、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の方向に沿う幅２０μmの梁状の領域としている。これら内側梁部３２と外側梁部３４とは、枠状領域３Ｂを支持基板５から浮かせた状態に支持する。内側開放孔３１と外側開放孔３３とは、それぞれ枠状領域３Ｂの内側面・外側面を露出させる。 支持基板５は、Ｘ−Ｙ面に内側領域５Ａと振動領域５Ｂと外側領域５Ｃとを備える。振動領域５Ｂは内形３００μm、外形６００μmの円形内形・円形外形の枠状に支持基板５を上主面から深さ３μmで掘り下げて振動空間を設けた領域であり、圧電基板３の枠状領域３Ｂと内側開放孔３１と内側梁部３２と外側開放孔３３と内側梁部３２とに対面する位置に設けている。振動空間は、内側開放孔３１および外側開放孔３３に連通していて、枠状領域３Ｂと支持基板５との干渉を防ぐ。内側領域５Ａは直径３００μmの領域であり、その上主面に圧電基板３の内側領域３Ａが接合される領域である。外側領域５Ｃは内径６００μmの領域であり、その上主面に圧電基板３の外側領域３Ｃが接合される領域である。支持基板５には、圧電基板３と同じ圧電性材料を用いる他にも、圧電基板３と熱膨張係数が異なるが耐熱性に優れ入手が容易で安価なＳｉやガラスを用いてもよい。

上面電極２は、８つの駆動検出電極２Ａと、８つの回路接続電極２Ｂと、４つの基準電位接続電極２Ｃと、８つの配線２Ｄとを備えている。駆動検出電極２Ａは本発明の上面駆動電極であり、枠状領域３Ｂの上面にパターニングしている。回路接続電極２Ｂおよび基準電位接続電極２Ｃは外側領域３Ｃの上面にパターンニングしている。配線２Ｄは、枠状領域３Ｂから外側領域３Ｃに架けて外側梁部を経由して設けている。駆動検出電極２Ａは、２つずつ、正方向のＸ軸両側、負方向のＸ軸両側、正方向のＹ軸両側、負方向のＹ軸両側に配置している。具体的には、各駆動検出電極２ＡはＸ−Ｙ面におけるＹ軸正方向を０°として、約０°〜３０°、６０°〜９０°、９０°〜１２０°、１５０°〜１８０°、１８０°〜２１０°、２４０°〜２７０°、２７０°〜３００°、３３０°〜３６０°の範囲を占めている。なお、隣接する駆動検出電極２Ａ間は約５μmの間隔を隔てている。回路接続電極２Ｂは詳細を後述する駆動検出回路に接続される。基準電位接続電極２Ｃはスルーホールを介して下面電極４に接続される。配線２Ｄは駆動検出電極２Ａと回路接続電極２Ｂとの間を接続し、絶縁層２Ｅを介して圧電基板３に接合されている。絶縁層２Ｅを設けているため、配線２Ｄには、梁部の変位によって電圧が励起することが無くなる。下面電極４は駆動検出電極２Ａに対向する領域が本発明の下面駆動電極であり、圧電基板３の下主面の全面に設けていて、基準電位接続電極２Ｃを介して基準電位に接続される。各駆動検出電極２Ａは下面電極４に対向して、枠状領域３ＢのＹ軸方向の変位とＸ軸方向およびＹ軸方向の変位とに電気機械的に結合する。

以上の振動ジャイロ装置１は、圧電基板３の枠状領域３Ｂが駆動検出電極２Ａと下面電極４とを設けてなる８つの圧電振動体を構成する。

図２は、振動ジャイロ装置１に接続する駆動検出回路を説明する回路図である。振動ジャイロ装置１の駆動検出回路は、周波数信号発生回路６と差動回路７Ａ，７Ｂと平滑回路８Ａ，８Ｂとを備える。なお、基準電位接続電極２Ｃにはグランドを接続している。

周波数信号発生回路６は駆動抵抗Ｒを介して８つの回路接続電極２Ｂに接続され、８つの駆動検出電極２Ａそれぞれに周波数信号を与える。各駆動検出電極２Ａに与える周波数信号は、それぞれ同相・同振幅である。また周波数は、枠状領域３ＢのＺ軸方向の振動が、Ｘ−Ｙ面におけるＸ軸上およびＹ軸上の位置（０°、９０°、１８０°、２７０°）に振動の腹を形成し、梁部により支持される位置（４５°、１３５°、２２５°、３１５°）の位置に振動の節を形成する共振周波数とする。

Ｙ軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２ＡのうちＸ軸負方向（図中左側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ａの第一の入力端に接続される。また、Ｘ軸正方向（図中右側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ａの第二の入力端に接続される。また、Ｘ軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２ＡのうちＹ軸負方向（下側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ｂの第一の入力端に接続され、Ｙ軸正方向（上側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ｂの第二の入力端に接続される。

差動回路７Ａ，７Ｂの出力端は平滑回路８Ａ、８Ｂに接続され、差動回路７Ａ，７Ｂはそれぞれの第一の入力端と第二の入力端との電圧差を出力する。平滑回路８Ａ、８Ｂは差動回路７Ａ，７Ｂの出力電圧を平滑する。

図３は、振動ジャイロ装置１の動作を説明する図である。図３（Ａ）はＸ軸回りに回転する例を、図３（Ｂ）はＹ軸回りに回転する例を示す。

上記共振周波数で屈曲振動する際には、振動ジャイロ装置にＹ軸回りの角速度が加わると、Ｘ軸方向にコリオリの力が加わる。すると、Ｙ軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２Ａに印加されている周波数信号の位相が、Ｘ軸正方向に配置された駆動検出電極２Ａと、Ｘ軸負方向に配置された駆動検出電極２Ａとで逆方向に変化する。このため、差動回路７Ａによる差分出力は、コリオリの力の大きさに応じた電圧となる。

また、振動ジャイロ装置にＸ軸回りの角速度が加わると、Ｙ軸方向にコリオリの力が加わる。すると、Ｘ軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２Ａに印加されている周波数信号の位相が、Ｙ軸正方向に配置された駆動検出電極２Ａと、Ｙ軸負方向に配置された駆動検出電極２Ａとで逆方向に変化する。このため、差動回路７Ｂによるそれらの差分出力は、コリオリの力の大きさに応じた電圧となる。

なお、振動ジャイロ装置１が回転していない状態では、周波数信号は同相・同振幅なので差動回路７Ａ，７Ｂによって取り除かれることになる。また、振動ジャイロ装置に衝撃などが作用する際に各駆動検出電極に励起する信号や、Ｘ軸回りの回転の際にＹ軸に沿って配置された駆動検出電極に励起する信号、Ｙ軸回りの回転の際にＸ軸に沿って配置された駆動検出電極に励起する信号は、やはり同相・同振幅となるので差動回路７Ａ，７Ｂによって取り除かれることになる。

図４は、下面電極４の電極厚と電気機械結合係数との関係を説明する図である。ここでは、上面電極２の電極厚を（0.5μm，1.0μm，1.5μm）とした３パターンについて、有限要素法を用いた共振解析の結果に基づいて上記関係を検討する。

３パターンのいずれの場合も、下面電極４の電極厚が0.1×10^-3〜3.0×10^-3mmの範囲内で変化するのに応じて電気機械結合係数は変化する。そして、上面電極２の電極厚0.5μmの場合は下面電極の電極厚0.1×10^-3mmで、上面電極２の電極厚1.0μmの場合は下面電極の電極厚0.3×10^-3mmで、上面電極２の電極厚1.5μmの場合は下面電極の電極厚0.5×10^-3mmで、電気機械結合係数が下限極値を示す。また、電極厚がそこから外れると、電気機械結合係数は特定値まで急峻に立ち上がってクリップされる変化を示す。したがって、電気機械結合係数が下限極値を示す値から外した下面電極の電極厚であれば、十分な電気機械結合係数が得られる。共振周波数の極値は、この振動ジャイロ装置１で圧電基板３の板厚や上面電極２の電極厚を異ならせても同様に生じるので、どのような電気機械結合係数の変化であっても、下面電極の電極厚を適切に設定して十分な電気機械結合係数を得ることができる。

また、上面電極２の電極厚0.5μmの場合は下面電極の電極厚2.0×10^-3mmで、上面電極２の電極厚1.0μmの場合は下面電極の電極厚2.5×10^-3mmで電気機械結合係数が上限極値を示した。したがって、電気機械結合係数が上限極値を示す値の下面電極の電極厚であれば、最大の電気機械結合係数が得られる。

次に、この振動ジャイロ装置１の製造方法を説明する。図５は振動ジャイロ装置１の製造フローを説明する図である。ここでは、圧電基板の薄膜をイオン注入により形成する場合を示す。

まず、支持基板５に、リアクティブイオンエッチング等で窪みを設け、この窪みに犠牲層として銅膜を成膜し、表面をＣＭＰ等により平坦化する（Ｓ１０１）。

次に、所定厚みからなる圧電単結晶体を用意し、その主面から水素イオンを注入する（Ｓ１０２）。圧電単結晶体はニオブ酸リチウム基板であり、加速エネルギー１５０ＫｅＶで１．０×１０17ａｔｏｍ／ｃｍ2のドーズ量により水素イオン注入を行うことにより、イオン注入面から深さ約１μmの位置に水素イオンの注入層を形成する。

次に、支持基板５の犠牲層形成面に下面電極４となる電極膜を形成し、その表面をＣＭＰ処理等により研磨して平坦化し、圧電単結晶体のイオン注入面と接合する（Ｓ１０３）。

次に、支持基板５が接合された圧電単結晶体を、減圧雰囲気下に配置して５００℃に加熱し、水素イオンの注入層で剥離する（Ｓ１０４）。これにより、支持基板５に支持された圧電単結晶体の薄膜が、圧電基板３として形成される。これにより圧電基板３を極薄膜化できるため圧電単結晶体の使用量を抑制できる。

次に、剥離面である圧電基板３の上主面のＣＭＰ等により鏡面仕上げにする（Ｓ１０５）。

次に、圧電基板３の上主面上に、電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィ法によって上面電極２をアルミニウムでパターニングして形成する（Ｓ１０６）。

次に、圧電基板３の上主面にレジスト膜を形成する（Ｓ１０７）。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング窓をレジスト膜に形成する（Ｓ１０８）。

次に、エッチング窓にエッチング液もしくはエッチングガスを導入することで、内側開放孔３１および外側開放孔３３を形成する。そして、内側開放孔３１および外側開放孔３３から犠牲層に銅エッチング液を導入することで銅膜である犠牲層を除去する。これにより、枠状領域３Ｂの下側に振動空間が形成される（Ｓ１０９）。

犠牲層の除去を行った後、レジスト膜の除去を行い、基準電位接続電極２Ｃと下面電極４とを接続するスルーホールを形成し、パッケージングする（Ｓ１１０）。その後、圧電基板３の上主面の駆動検出電極２Ａを除く他の電極にアルミニウムを厚付けし、それらの電極での配線電気抵抗を下げる（Ｓ１１１）。

以上の工程を採用して、振動ジャイロ装置を製造する。

第１の実施形態に係る振動ジャイロ装置の構成を説明する図である。 図１に示す振動ジャイロ装置の駆動検出回路の回路構成を説明する図である。 図１に示す振動ジャイロ装置の動作を説明する図である。 振動解析による電気機械結合係数と下面電極との関係を説明する図である。 図１に示す振動ジャイロ装置の製造フローを説明する図である。

符号の説明

１…振動ジャイロ装置
２…上面電極
２Ａ…駆動検出電極
２Ｂ…回路接続電極
２Ｃ…基準電位接続電極
２Ｄ…配線
２Ｅ…絶縁層
３…圧電基板
３１…内側開放孔
３２…内側梁部
３３…外側開放孔
３４…外側梁部
３Ａ…内側領域
３Ｂ…枠状領域
３Ｃ…外側領域
４…下面電極
５…支持基板
５Ａ…内側領域
５Ｂ…振動領域
５Ｃ…外側領域
６…周波数信号発生回路
７Ａ，７Ｂ…差動回路
８Ａ，８Ｂ…平滑回路

Claims (4)

1. 板状の圧電基板と、前記圧電基板の上主面に設けられ周波数信号が印加される上面駆動電極と、前記圧電基板の下主面に設けられ基準電位に接続される下面駆動電極と、を備え、前記上面駆動電極と前記下面駆動電極との電位差に基づいて主面法線方向に振動する圧電振動子であって、
   当該圧電振動子の電気機械結合係数は前記下面駆動電極の電極厚を変更することで変化して前記電気機械結合係数の下限極値を示し、前記電気機械結合係数が前記下限極値となる値から前記下面駆動電極の電極厚が外れると、前記電気機械結合係数がクリップする値まで急峻に立ち上がる特性を有し、
   前記下面駆動電極は、前記電気機械結合係数が前記下限極値となる値から外した電極厚であることを特徴とする圧電振動子。
2. 当該圧電振動子の電気機械結合係数は前記下面駆動電極の電極厚を変更することで変化し、前記電気機械結合係数の上限極値を有し、
   前記下面駆動電極は、前記電気機械結合係数が前記上限極値となる電極厚であることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記圧電基板をニオブ酸リチウムの単結晶とし、
   前記下面駆動電極をタングステン電極とし、
   前記上面駆動電極をアルミニウム電極とした、請求項１または２に記載の圧電振動子。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の圧電振動子と、
   前記圧電振動子に前記周波数信号を印加する駆動部と、
   前記圧電振動子に作用するコリオリの力を検出する検出部と、を備える振動ジャイロ装置。

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