JP2019078591A - 物理量センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】検出感度の向上を図りつつ、大型化することを抑制できる物理量センサを提供する。【解決手段】一面1aおよび当該一面1aと交差する側面1bを有する基板1と、一面1a上に配置され、圧電膜8bを有し、基板1が一面1aの面方向における一方向に沿って振動した際に当該基板1に発生する応力に応じた信号を出力する検出部8と、を備える物理量センサにおいて、基板1の一面1aに孔部11を形成し、検出部8は、孔部11の開口部の周囲における少なくとも一部を含む位置に配置されるようにする。【選択図】図2

Description

本発明は、圧電膜を有する検出部が備えられた物理量センサに関するものである。
従来より、圧電膜を有する検出部が備えられた物理量センサとして、角速度センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、この角速度センサでは、振動子を有し、振動子の一面に駆動素子、検出素子およびモニタ素子等が備えられている。そして、これらの各素子は、下層電極、圧電膜、上層電極が順に積層されることで構成されている。
このような角速度センサでは、駆動素子における下層電極と上層電極との間に電位差を発生させると、圧電膜が変形することで振動子が一面の面方向に沿った方向に振動する。この際、モニタ素子では、振動子が振動することで生じる応力によって圧電膜が変形し、上層電極と下層電極との間の電気信号が変化する。このため、駆動素子における下層電極と上層電極との間の電位差は、モニタ素子における電気信号の変化に基づき、所望の振動状態となるように制御される。
そして、角速度センサは、角速度が印加されることで振動子が面方向と交差する方向に振動すると、これに伴って検出素子における圧電膜が変形する。これにより、検出素子では、上層電極と下層電極との間の電気信号が変化するため、当該電気信号に基づいて角速度の検出が行われる。
特開2006−23186号公報
ところで、近年では、振動子の振動において、各種素子が配置された面の面方向に沿った振動を高精度に検出することが求められている。つまり、上記角速度センサでは、振動子の一面の面方向に沿った振動に対する検出感度の向上を図ることが求められている。この場合、単純には、振動子を大きくしたりする等によって感度の向上を図ることができるが、振動子を大きくするとセンサ自体が大型化してしまうという問題が発生する。
本発明は上記点に鑑み、検出感度の向上を図りつつ、大型化することを抑制できる物理量センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための請求項1では、圧電膜(8b)を有する検出部(8)を備える物理量センサであって、一面(1a)および当該一面と交差する側面(1b)を有する基板(1)と、一面上に配置され、圧力が印加されることで変形する圧電膜を有し、基板が一面の面方向における一方向に沿って振動した際、当該基板に発生する応力に応じて圧電膜が変形することで振動に応じた信号を出力する検出部と、を備え、基板は、一面に孔部(11)が形成されており、検出部は、孔部の開口部の周囲における少なくとも一部を含む位置に配置されている。
これによれば、基板の一面における一方向に沿って振動した際、検出部には、一面と側面との境界部に集中する応力と、孔部の開口部に集中する応力が共に印加される。このため、検出部に印加される応力を大きくでき、検出感度の向上を図ることができる。また、基板の一面に孔部を形成することによって検出感度の向上を図ることができるため、大型化することも抑制できる。
この場合、請求項2のように、一面に対する法線方向から視たとき、孔部は検出部に内包されるようにできる。
これによれば、孔部に集中する応力が全て圧電膜に印加されるため、検出感度の向上をさらに図ることができる。
なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。
第1実施形態における音叉型の角速度センサを示す斜視図である。 図1中のII−II線に沿った断面図である。 第2実施形態におけるモニタ素子の平面図である。 図3中のIV−IV線に沿った断面図である。 第3実施形態におけるモニタ素子の断面図である。 他の実施形態におけるモニタ素子の平面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。本実施形態では、圧電膜を有する検出部を備える物理量センサとして、音叉型の角速度センサを例に挙げて説明する。
本実施形態では、図1に示されるように、角速度センサは、一面1aおよび側面1bを有する振動子1を備えている。振動子1は、一方向を長手方向とする略角柱状の一対のアーム部2、3、および各アーム部2、3の一端を連結する連結部4により音叉形状に形成されている。そして、振動子1は、連結部4のうちのアーム部2、3と反対側の中央位置において、括れ部5aを有する支持部5に支持されている。このような振動子1の外形形状は、例えば、シリコンなどの半導体材料で構成された基板をエッチング等によってパターニングすることで構成される。なお、本実施形態では、振動子が基板に相当する。
なお、振動子1は、支持部5のうちの括れ部5aよりも連結部4と反対側の部分が図示しない基板等に固定され、括れ部5a、連結部4および各アーム部2、3が当該基板等に対してリリースされた浮遊状態とされている。
以下では、図1中のxyz直交座標に示されるように、アーム部2、3の配列方向をx軸とし、アーム部2、3の長手方向をy軸とし、x軸およびy軸に対して直交する方向をz軸として説明する。
振動子1には、一面1aに、駆動素子6、検出素子7、およびモニタ素子8が備えられている。本実施形態では、駆動素子6、検出素子7、およびモニタ素子8は、各アーム部2、3において、他方のアーム部側と反対側の端部から当該他方のアーム部側の端部に向かって、駆動素子6、検出素子7およびモニタ素子8の順に備えられている。
なお、モニタ素子8は、具体的には後述するが、振動子1がx軸方向に沿って振動した際に当該振動子1に発生する応力に応じた信号を出力する。そして、振動子1がx軸方向に沿って振動する場合には、一面1aと当該一面1aと交差する面との境界部に応力が集中し易い。つまり、振動子1がx軸方向に沿って振動する場合には、一面1aと側面1bとの境界部に応力が集中し易い。このため、モニタ素子8は、振動子1がx軸方向に沿って振動した際に一面1aと側面1bとの境界部に集中する応力が印加されるように、側面1bの近傍に配置されている。本実施形態では、モニタ素子8は、各アーム部2、3における他方のアーム部側の側面1b側に配置されている。
駆動素子6は、図2に示されるように、振動子1の一面1aに、一面1a側から下層電極6a、駆動用圧電膜6b、上層電極6cが順に積層されることで構成されている。駆動素子6は、各アーム部2、3をx軸方向に沿って駆動振動させられるように、各アーム部2、3における連結部4との連結箇所に形成されており、本実施形態では、各アーム部2、3から連結部4内に至る位置まで延設されている。そして、下層電極6aおよび上層電極6cは、図1に示されているように、連結部4および支持部5を経て引き出された配線部6d、6eを通じて、図示しない駆動用電圧の印加用のパッドやGND接続用のパッドに接続されている。
検出素子7は、図2に示されるように、振動子1の一面1aに、一面1a側から下層電極7a、検出用圧電膜7b、上層電極7cが順に積層されることで構成されている。検出素子7は、角速度の印加に基づいた各アーム部2、3におけるz軸方向に沿った振動を検出できるように、各アーム部2、3における連結部4との連結箇所に形成されており、本実施形態では、各アーム部2、3から連結部4内に至る位置まで延設されている。そして、下層電極7aおよび上層電極7cは、図1に示されているように、連結部4および支持部5を経て引き出された配線部7d、7eを通じて、図示しない検出信号出力用のパッドに接続されている。
モニタ素子8は、図2に示されるように、振動子1の一面1aに、一面1a側から下層電極8a、モニタ用圧電膜8b、上層電極8cが順に積層されることで構成されている。モニタ素子8は、駆動素子6によって各アーム部2、3がx軸方向に沿って駆動振動させられた際の振動を検出できるように、各アーム部2、3における連結部4との連結箇所に形成されており、本実施形態では、各アーム部2、3から連結部4内に至る位置まで延設されている。そして、下層電極8aおよび上層電極8cは、図1に示されているように、連結部4および支持部5を経て引き出された配線部7d、7eを通じて、図示しない検出信号出力用のパッドに接続されている。
なお、上記のように、振動子1をx軸方向に振動した際、一面1aと側面1bとの境界部に応力が集中し易いが、当該境界部のうちでも連結部4との連結箇所に大きな応力が集中し易い。このため、モニタ素子8は、各アーム部2、3から連結部4内に至る位置まで形成されている。
また、特に限定されるものではないが、各下層電極6a〜8a、および各上層電極6c〜8cは、例えば、アルミニウム(Al)等で構成される。各圧電膜6b〜8bは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(すなわち、PZT)膜によって構成されている。そして、本実施形態では、モニタ素子8が検出部に相当し、x軸方向が基板の一面の面方向における一方向に相当する。
また、振動子1には、図1および図2に示されるように、孔部11が形成されている。本実施形態では、孔部11は、振動子1の一面1aに対する法線方向から視たとき(以下では、単に法線方向から視たときともいう)、モニタ素子8に内包されるように形成されている。言い換えると、モニタ素子8は、孔部11における開口部を囲むように形成されている。
さらに、本実施形態では、モニタ素子8には、当該モニタ素子8を法線方向に沿って貫通し、孔部11と連通する孔部12が形成されている。具体的には、孔部11および孔部12は、それぞれ開口部が略楕円形状とされて短径および長径が等しくされており、法線方向に沿って各径が一定とされた円筒状となるように形成されている。このため、本実施形態では、モニタ素子8は、孔部11における開口部と接するように形成されているともいえる。
以上が本実施形態における角速度センサの構成である。次に、上記角速度センサの作動について説明する。
角速度センサは、上記のように、各電極6a〜8a、6c〜8cがそれぞれ各パッドに接続されており、各パッドが図示しない制御部に接続されている。そして、角速度センサは、図示しない制御部によって駆動素子6における下層電極6aと上層電極6cとの間に電位差が発生させられると、当該下層電極6aと上層電極6cとの間に挟まれた駆動用圧電膜6bが変形する。これにより、アーム部2、3は、駆動用圧電膜6bが変形することによって当該アーム部2、3が強制振動させられ、x軸方向に沿って駆動振動する。例えば、アーム部2、3は、一方の駆動素子6の駆動用圧電膜6bが圧縮応力で変形すると共に他方の駆動素子6の駆動用圧電膜6bが引張応力で変形するように電圧印加が行われることにより、x軸方向において開いたり閉じたりするように振動する。
この際、モニタ素子8におけるモニタ用圧電膜8bは、各アーム部2、3の駆動振動によって発生する応力に応じて変形する。そして、モニタ素子8は、モニタ用圧電膜8bが変形することによって下層電極8aと上層電極8cとの間の電気信号が変化するため、電気信号をモニタ信号として図示しないモニタ信号出力用のパッドを通じて制御部に出力する。このため、制御部は、モニタ素子8から入力されるモニタ信号に基づき、各アーム部2、3が所望の振動状態となるように駆動素子6に印加する電圧を調整する。
ここで、各アーム部2、3(すなわち、振動子1)には、駆動振動した際に応力が発生するが、当該応力は、振動方向に沿った面と当該面と交差する面との境界部に集中し易い。つまり、本実施形態では、各アーム部2、3には、一面1aと側面1bとの境界部、および孔部11の開口部に応力が集中し易い。
したがって、モニタ素子8には、一面1aと側面1bとの境界部および孔部11の開口部に集中する応力が印加される。このため、孔部11が形成されていない場合と比較すると、モニタ素子8に印加される応力が大きくなることでモニタ用圧電膜8bに印加される応力が大きくなり、検出感度の向上を図ることができる。
そして、各アーム部2、3は、x軸方向に沿って駆動振動している状態でy軸方向周りの角速度が印加されると、コリオリ力によってz軸方向に沿って振動する。この際、検出用圧電膜7bは、z軸方向に沿った振動に応じて変形する。そして、検出素子7は、検出用圧電膜7bが変形することによって下層電極7aと上層電極7cとの間の電気信号が変化するため、電気信号を検出信号として図示しない検出信号出力用のパッドを通じて制御部に出力する。これにより、制御部では、検出素子7から入力される検出信号に基づき、角速度を検出する。
なお、下層電極7a、8aと上層電極7c、8cとの間の電気信号が変化するとは、例えば、定電圧駆動の場合には電流値が変化し、定電流駆動の場合には電圧値が変化することである。
次に、上記角速度センサの製造方法について簡単に説明する。上記角速度センサを製造する際には、まず、振動子1を構成するシリコン等で構成される基板を用意し、基板上に、各下層電極6a〜8aを構成する金属膜、各圧電膜6b〜8bを構成する圧電膜、各上層電極6c〜8cを構成する金属膜を順に成膜する。
そして、適宜レジスト等を配置し、金属膜、圧電膜、金属膜に対して順にエッチングを行うことにより、各下層電極6a〜8a、各圧電膜6b〜8b、各上層電極6c〜8cを形成して駆動素子6、検出素子7、およびモニタ素子8を構成する。続いて、モニタ素子8に孔部12を形成し、振動子1に孔部11を形成する。この際、振動子1に形成される孔部11は、孔部12を掘り下げることによって形成する。このため、孔部11がモニタ素子8に内包されないということを抑制できる。その後、基板をエッチング等によってパターニングすることで振動子1の外形を形造ることにより、上記角速度センサが製造される。
以上説明したように、本実施形態では、振動子1には、孔部11が形成されている。そして、モニタ素子8は、孔部11における開口部の周辺を含む位置に配置されている。このため、振動子1におけるアーム部2、3が一面1aに沿ったx軸方向に振動した際、モニタ素子8には、一面1aおよび側面1bとの境界部、および孔部11の開口部に集中する応力が印加される。したがって、モニタ用圧電膜8bに印加される応力を大きくできるため、検出感度の向上を図ることができる。
また、法線方向から視たとき、孔部11は、モニタ素子8に内包するように形成されている。このため、孔部11に集中する応力が全てモニタ用圧電膜8bに印加され、検出感度の向上をさらに図ることができる。
さらに、モニタ素子8には、孔部11と連通する孔部12が形成されている。そして、孔部11は、モニタ素子8に形成した孔部12を掘り下げることで形成される。このため、法線方向から視たとき、孔部11がモニタ素子8に内包されていない構成となることを抑制できる。
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、複数の孔部11、12を形成したものである。その他に関しては、上記第1実施形態と同様であるため、以下では説明を省略する。
本実施形態では、図3および図4に示されるように、振動子1には、孔部11が複数形成されている。そして、モニタ素子8には、各孔部11に連通する複数の孔部12が形成されている。特に限定されるものではないが、本実施形態では、孔部11、12は、一方向に沿って3つ形成されている。
これによれば、孔部11を複数形成しているため、孔部11を1つ形成する場合と比較して、隣接する孔部11の間に開口部が位置する構成となり、孔部11における全体の開口部の長さを増加し易くなる。つまり、孔部11の開口部に集中する応力の総和が大きくなり易くなる。したがって、モニタ素子8に印加される応力を大きくし易く、検出感度の向上をさらに図ることができる。
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、孔部11が振動子1のみに形成されたものである。その他に関しては、上記第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
本実施形態では、図5に示されるように、振動子1に孔部11が形成されているが、モニタ素子8には孔部12が形成されていない。そして、モニタ素子8は、孔部11を覆うように配置されている。つまり、本実施形態では、モニタ素子8は、孔部11における開口部の周辺に加え、孔部11内にも配置されている。
なお、このような角速度センサは、振動子1を構成する基板に孔部11を形成した後、各下層電極6a〜8aを構成する金属膜、各圧電膜6b〜8bを構成する圧電膜、各上層電極6c〜8cを構成する金属膜を順に成膜する等して製造される。このため、モニタ素子8は、振動子1側と反対側の部分のうちの孔部11に対向する部分が窪んだ形状となる。
このような角速度センサとしても、モニタ素子8には、孔部11の開口部からも応力が印加されるため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、上記各実施形態では、物理量センサとしての角速度センサを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、上記各実施形態を加速度センサ等に適用してもよい。この場合、例えば、加速度に応じて面方向に変位(すなわち、振動)する部分の当該面上に下層電極、圧電膜、上層電極を順に積層して構成される検出部を構成し、当該検出部に対して上記各実施形態を適用できる。つまり、上記各実施形態の構成は、検出部が配置される部分が面方向における一方向に振動し、当該振動によって発生する応力に応じた信号を出力する検出部を含む物理量センサに適用可能である。このため、上記各実施形態の構成は、配置される場所等に応じ、モニタ素子に利用することもできるし、検出素子に利用することもできる。
また、上記各実施形態では、孔部11は、振動子1を貫通しないように形成されていたが、振動子1を貫通するように形成されていてもよい。この場合は、例えば、振動子1を構成する基板をエッチング等によってパターニングする際、孔部11を同時に形成することができる。
さらに、上記各実施形態において、孔部11は、開口部が楕円形状ではなく、円形状とされていてもよいし、三角形状や四角形状等の多角形状とされていてもよい。
また、上記各実施形態において、孔部11は、法線方向から視たとき、モニタ素子8に内包されていなくてもよい。例えば、図6に示されるように、法線方向から視たとき、孔部11の一部がモニタ素子8より外部に位置していてもよい。つまり、モニタ素子8は、孔部11の開口部の周囲における少なくとも一部を含む位置に配置されていればよい。このような構成としても、孔部11の開口部に集中する応力がモニタ素子8に印加されるため、孔部11が形成されていない場合と比較すれば、検出感度の向上を図ることができる。なお、図6では、モニタ素子8に内包されている部分では、孔部11、12が形成され、モニタ素子8に内包されていない部分では、孔部11のみが形成されていることを示している。
そして、上記第2実施形態において、孔部11は、3個形成されるのではなく、2個形成されていてもよいし、4個以上形成されていてもよい。また、孔部11は、一方向に沿って形成されるのではなく、ランダムに形成されていてもよい。さらに、孔部11を複数形成する場合には、各孔部11の開口部の少なくとも一部が異なる形状とされていてもよい。
そして、上記各実施形態を組み合わせることもできる。例えば、上記第2実施形態を上記第3実施形態に組み合わせ、複数の孔部11を形成しつつ、モニタ素子8には孔部12が形成されていない構成としてもよい。
1 振動子(基板)
1a 一面
1b 側面
8 モニタ素子(検出部)
8b 圧電膜

Claims (4)

  1. 圧電膜(8b)を有する検出部(8)を備える物理量センサであって、
    一面(1a)および当該一面と交差する側面(1b)を有する基板(1)と、
    前記一面上に配置され、圧力が印加されることで変形する前記圧電膜を有し、前記基板が前記一面の面方向における一方向に沿って振動した際、当該基板に発生する応力に応じて前記圧電膜が変形することで振動に応じた信号を出力する前記検出部と、を備え、
    前記基板は、前記一面に孔部(11)が形成されており、
    前記検出部は、前記孔部の開口部の周囲における少なくとも一部を含む位置に配置されている物理量センサ。
  2. 前記一面に対する法線方向から視たとき、前記孔部は前記検出部に内包されている請求項1に記載の物理量センサ。
  3. 前記検出部には、前記孔部と連通し、当該検出部を前記一面に対する法線方向に沿って貫通する孔部(12)が形成されている請求項1または2に記載の物理量センサ。
  4. 前記孔部は、複数形成されている請求項1ないし3のいずれか1つに記載の物理量センサ。

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