JP6988367B2 - 物理量センサ - Google Patents

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おり、検出部には、孔部と連通し、当該検出部を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。

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 (3)

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おり、
   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. 前記孔部は、複数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。

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