JP2016001160A - 振動型角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】振動子における圧電薄膜もしくは圧電体の劣化を抑制し、耐久性を確保することが可能となるようにする。【解決手段】少なくとも駆動素子６や検出素子７に備えられる酸化物圧電膜で構成された駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂの露出部分を覆うように保護膜８を形成する。これにより、駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂからの酸素の脱離を抑制することが可能となる。したがって、振動型角速度センサの耐久性を確保することが可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電式の振動型角速度センサに関するものである。

従来より、振動型角速度センサが知られている。振動型角速度センサでは、振動子を駆動振動させた状態で角速度が印加されると、印加された角速度に応じて振動子が変形することから、その振動子の変形を検出素子で検出することで、印加された角速度の検出を行っている。このような振動型角速度センサにおける感度向上の為には、振動子における振動の状態を現す無次元数であるＱ値を大きくすることが有効である。このため、例えば、特許文献１などにおいて、振動子を真空封止することで振動子のＱ値として高い値が得るれるようにする構造が提案されている。また、真空封止の他にも、大気圧よりも低圧状態によって封止する低圧封止などにより、振動子のＱ値を高くする構造もある。

特開２００５−１７２６９０号公報

上記のような構成の振動型角速度センサでは、印加された角速度に応じた振動子の変形を検出するための検出素子、もしくは、振動子を駆動振動させる駆動素子として、圧電薄膜もしくはブロック状の圧電体で構成される圧電式のものを用いることがある。

しかしながら、圧電薄膜もしくは圧電体として用いられるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をはじめとする酸化物圧電体は、低酸素状態、すなわち真空封止もしくは低圧封止の状態において酸素抜けを起こす。このため、圧電薄膜もしくは圧電体としての機能の劣化を起こし、振動型角速度センサの耐久性を確保できない。

また、振動型角速度センサにおける封止方法として、Ｈｅ、Ｎ₂などのガスによるガス封止もあるが、酸素を含まない低酸素状態であれば、やはり酸素抜けを起こす。また、ガス封止をＨｅにＯ₂を含めた混合封止とし、ガス中に酸素が含めることで酸化物圧電体や圧電薄膜からの酸素抜けが抑制されるようにする手法もあるが、Ｑ値を大きくするための真空封止や低圧封止では酸素抜けを抑制できない。

本発明は上記点に鑑みて、振動子における圧電薄膜もしくは圧電体の劣化を抑制し、耐久性を確保することが可能な圧電式の振動型角速度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、請求項１に記載の発明では、駆動振動させられるアーム部（２、３）と、該アーム部を駆動振動させる駆動素子（６）と、駆動振動時に印加された角速度に伴う変形を電気信号として取り出す検出素子（７）とを有する振動子（１）を備え、該振動子が真空封止もしくは大気圧よりも低圧状態となる低圧封止によって封止されてなる振動型角速度センサであって、駆動素子と検出素子のいずれか一方は、酸化物圧電膜（６ｂ、７ｂ）もしくはブロック状の酸化物圧電体（１０）を含む圧電式の素子で構成されており、さらに、酸化物圧電膜もしくは酸化物圧電体の表面を覆う保護膜（８）を備えていることを特徴としている。

このように、酸化物圧電膜もしくは酸化物圧電体の表面を覆う保護膜を備えていることから、これらからの酸素の脱離を抑制することが可能となる。したがって、振動型角速度センサの耐久性を確保することが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる音叉型の振動型角速度センサの斜視図である。 図１のII−II’断面図である。 酸素の離脱の様子を示した断面図である。 酸素の離脱の様子を示した分子構造図である。 本発明の第２実施形態にかかる音叉型の振動型角速度センサの斜視図である。 図５のVI-VI'断面図である。

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）
本実施形態では、圧電式の振動型角速度センサとして、音叉型の角速度センサに対して圧電薄膜を使用することで駆動素子や検出素子を構成したものを例に挙げて説明する。以下、図１〜図４を参照して、本実施形態にかかる振動型角速度センサの詳細について説明する。

図１に示すように、振動型角速度センサには振動子１が備えられている。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おり、連結部４のうちアーム部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。このようなブロック状の構造体の外形形状は、例えばシリコンなどの半導体材料で構成された母材１０をエッチングによりパターニングすることで構成される。

以下、図１中のｘｙｚ直交座標に示すように、アーム部２、３の配列方向をｘ軸、アーム部２、３の長手方向をｙ軸、ｘ軸およびｙ軸の双方に対して直交する方向をｚ軸として説明する。

振動子１は、支持部５のうちの括れ部５ａよりも連結部４と反対側の部分において、図示しない基板などに固定されており、括れ部５ａから連結部４および各アーム部２、３が基板に対してリリースされた浮遊状態とされている。

また、図示しないが振動子１のうちの各アーム部２、３における連結部４との連結箇所には、圧電薄膜を有する駆動素子６および検出素子７が備えられている。

駆動素子６は、図２に示すように、振動子１の外形形状を形作っている母材１０の表面に、下層電極６ａと駆動用圧電膜６ｂおよび上層電極６ｃとを積層す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るが、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。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。また、駆動用圧電膜６ｂは、酸素を含む酸化物圧電膜で構成され、例えばＰＺＴ膜によって構成されている。

このような構成において、下層電極６ａと上層電極６ｃとの間に電位差を発生させることで、これらの間に挟まれた駆動用圧電膜６ｂを変位させ、アーム部２、３を強制振動させることでアーム部２、３をｘ軸方向に沿って駆動振動させる。例えば、各アーム部２、３のうちの一方の駆動素子６の駆動用圧電膜６ｂを圧縮応力で変位させると共に他方の駆動素子６の駆動用圧電膜６ｂを引張応力で変位させる。このような電圧印加を各駆動素子６に対して交互に繰り返し行うことで、音叉型のアーム部２、３をｘ軸方向において開いたり閉じたりするように振動させる。

検出素子７は、図２に示すように、振動子１の外形形状を形作っている母材１０の表面に、下層電極７ａと検出用圧電膜７ｂおよび上層電極７ｃとを積層することで構成されている。検出素子７は、角速度印加に基づいて生じる各アーム部２、３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るが、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。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。また、検出用圧電膜７ｂは、酸素を含む酸化物圧電膜で構成され、例えばＰＺＴ膜によって構成されている。

このような構成では、角速度の印加に伴ってアーム部２、３が変位すると、それに伴って検出用圧電膜７ｂが変形する。これにより、例えば下層電極７ａと上層電極７ｃとの間の電気信号（定電圧駆動の場合の電流値、定電流駆動の場合の電流値）が変化することから、それを角速度を示す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外部に出力している。具体的には、上記したように、駆動素子６に対して駆動用電圧の印加を行うと、各アーム部２、３が駆動振動させられる。この駆動振動のもとで、ｚ軸回りの角速度が印加されると、コリオリ力によりアーム部２、３はｙ軸方向に振動する。この振動の振動状態を検知振動として検出し、この検知振動の状態に基づいて、印加された角速度を検出する。

さらに、図２に示すように、このように構成された駆動素子６および検出素子７を有する振動子１のうち、駆動素子６および検出素子７を覆うように、保護膜８が形成されている。保護膜８は、酸化物圧電膜で構成された駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂからの酸素抜けを抑制するためのものであり、少なくとも駆動素子６や検出素子７における駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂの露出箇所を覆うように形成されている。なお、図１中においては、図を見やすくするために保護膜８を省略してあるが、実際には駆動素子６や検出素子７を覆うように保護膜８が形成されている。

例えば、図３に示すように、下層電極６ａと駆動用圧電膜６ｂおよび上層電極６ｃを積層した構造では、駆動用圧電膜６ｂが外縁において下層電極６ａや上層電極６ｃの間から露出した状態となる。仮に、この部分が保護膜８で覆われていなければ、図３および図４に示すように、高温下において、酸化物圧電膜、例えばＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏ₃を含むＰＺＴ膜から酸素が脱離し、駆動用圧電膜６ｂの機能が劣化して、振動型角速度センサの耐久性を確保できなくなる。図３では、駆動素子６を例に挙げたが、検出素子７についても同様のことが言える。

しかしながら、本実施形態のように、保護膜８によって駆動素子６および検出素子７を覆うことで、駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂからの酸素の脱離を抑制でき、これらの圧電膜としての機能の劣化を抑制することが可能となる。これにより、振動型角速度センサの耐久性を確保することが可能となる。

このような保護膜８としては、駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂからの酸素の脱離を抑制できる材料構成されていれば良い。例えば、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄で構成されるＬＰ−ＴＥＯＳ膜、ＡＬＤ（原子層堆積）法によって形成されるＡＬＤ−Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁酸化物によって保護膜８を構成することができる。また、絶縁酸化物ではなく、絶縁窒化物によって保護膜８を構成することもできるし、酸素が含有されない窒化物圧電膜によって保護膜８を構成することもできる。例えば、窒化物圧電膜としては、ＡｌＮやＳｃＡｌＮなどを用いることができる。

また、保護膜８を上層電極６ｃ、７ｃの上、つまり駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂと反対側の一面から駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂの露出部分を覆うように形成したが、上層電極６ｃ、７ｃと駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂとの間に配置しても良い。特に、窒化物圧電膜によって保護膜８を構成する場合、保護膜８自体を圧電膜として機能させることも可能である。その場合、酸化物圧電膜によって構成された駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂと窒化物圧電膜で構成された保護膜８とによって、２種類の圧電特性に基づく設計が可能となる。

なお、保護膜８は必ずしも１種類の材料による単層膜によって構成されている必要はなく、複数種類の材料の積層膜によって構成されていても良い。

以上のようにして、本実施形態にかかる振動型角速度センサが構成されている。このように構成された振動型角速度センサは、図示していないが、振動子１を支持している基板に対してキャップ部材が貼り合わされること、もしくは、振動子１をケース内に収容することで振動子１が真空封止もしくは低圧封止された構造とされる。

このように振動子１が真空封止もしくは低圧封止されている構造においては、低酸素状態であることから、酸化物圧電膜によって構成されている駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂからの酸素の脱離が発生し得る。しかしながら、少なくとも駆動用圧電膜６ｂや検出用圧電膜７ｂの露出部分を覆うように保護膜８を形成していることから、これらからの酸素の脱離を抑制することが可能となる。したがって、振動型角速度センサの耐久性を確保することが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して振動子１の母材１０などを変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示す本実施形態の振動型角速度センサでは、振動子１におけるブロック状の母材１０を半導体材料ではなく、ＰＺＴなどの酸化物圧電体によって構成している。すなわち、アーム部２、３や連結部４および支持部５をブロック状の圧電体によって構成している。

駆動素子６については、アーム部２、３の表面に離間して配置された第１電極６ｆと第２電極６ｇおよび母材１０のうち第１電極６ｆと第２電極６ｇとの間に配置される部分によって構成されている。第１電極６ｆおよび第２電極６ｇは、図５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６ｈ、６ｉ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も、アーム部２、３の表面に離間して配置された第１電極７ｆと第２電極７ｇおよび母材１０のうち第１電極７ｆと第２電極７ｇとの間に配置される部分によって構成されている。第１電極７ｆおよび第２電極７ｇは、図５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７ｈ、７ｉ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。

そして、このように構成された振動子１が保護膜８によって覆われることで、母材１０が露出させられていない状態とされている。本実施形態では、図６に示すように、保護膜８を母材１０の表面、つまり母材１０と第１、第２電極６ｆ、６ｇ、７ｆ、７ｇおよび配線部６ｈ、６ｉ、７ｈ、７ｉとの間に配置することで、母材１０の表面全面を覆っている。ただし、母材１０の表面が露出していないようにすれば良いため、第１、第２電極６ｆ、６ｇ、７ｆ、７ｇおよび配線部６ｈ、６ｉ、７ｈ、７ｉの上に保護膜８を配置していても良い。

なお、このような振動子１を構成するブロック状の構造体も、圧電体で構成される母材１０をエッチングなどによってパターニングすることで形成することができる。

このように構成される振動子１は、第１電極６ｆと第２電極６ｇとの間に駆動用電圧を印加することで、母材１０が酸化物圧電体で構成された各アーム部２、３を駆動振動させ、角速度検出が行えるようになっている。このように、振動子１の母材１０が酸化物圧電体によって構成されている場合であっても、保護膜８によって覆うことで母材１０が露出させられないようにすれば、母材１０からの酸素の脱離を抑制できる。これにより、振動型角速度センサの耐久性を確保することが可能となる。

（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、上記実施形態では、圧電式の振動型角速度センサとして音叉型のものを例に挙げて説明したが、音叉型に限るものではない。すなわち、振動子１の駆動素子と検出素子の少なくとも一方に圧電薄膜もしくはブロック状の圧電体が使用されているものであれば、他の構造の振動型角速度センサに対しても本発明を適用することができる。例えば、一方向に延設された検出梁と、その両側に配置されたアーム部に相当する駆動梁とが連結部を介して連結され、連結部が基板に固定された支持部に支持された三脚音叉型の振動型角速度センサに対しても本発明を適用できる。

また、上記第１実施形態では、駆動素子６や検出素子７に含まれる各圧電膜６ｂ、７ｂを覆うように保護膜８を形成し、第２実施形態では、酸化物圧電体によって構成される母材１０を保護膜８によって覆うようにした。これら各実施形態では、保護膜８を駆動素子６や検出素子７に含まれる酸化物圧電膜もしくは酸化物圧電体とは別材料で構成している。これに対して、保護膜８を駆動素子６や検出素子７に含まれる酸化物圧電膜もしくは酸化物圧電体と同材料で構成することもできる。例えば、駆動素子６や検出素子７に含まれる各圧電膜６ｂ、７ｂの表面や酸化物圧電体によって構成される母材１０の表面にイオン注入を行うことでアモルファス化する。これにより、アモルファス化した部分において酸素の離脱が抑制されるため、そのアモルファス層によって保護膜８を構成することもできる。

また、上記各実施形態では、駆動素子６と検出素子７とを別々で構成したが、これらを１つの素子によって構成することもできる。例えば、第１実施形態の構成の場合、下層電極と圧電膜と上層電極とを積層した構造においては、下層電極と上層電極との間に駆動用電圧を印加することでアーム部２、３を駆動振動させることができる。さらに、コリオリ力によってアーム部２、３が変形すると、それに伴って圧電膜が変形することから、それを下層電極と上層電極との間の電気信号として取り出すこともできる。したがって、１つの素子によって、駆動素子６と検出素子７を兼ねることも可能である。

また、上記各実施形態では、駆動素子６と検出素子７の双方を圧電式のもので構成したが、いずれか一方のみであっても良い。

１ 振動子
２、３ アーム部
４ 連結部
５ 支持部
６ 駆動素子
７ 検出素子
８ 保護膜
１０ 母材

Claims (9)

1. 駆動振動させられるアーム部（２、３）と、該アーム部を駆動振動させる駆動素子（６）と、前記駆動振動時に印加された角速度に伴う変形を電気信号として取り出す検出素子（７）とを有する振動子（１）を備え、該振動子が真空封止もしくは大気圧よりも低圧状態となる低圧封止によって封止されてなる振動型角速度センサであって、
   前記駆動素子と前記検出素子のいずれか一方は、酸化物圧電膜（６ｂ、７ｂ）もしくはブロック状の酸化物圧電体（１０）を含む圧電式の素子で構成されており、
   さらに、前記酸化物圧電膜もしくは前記酸化物圧電体の表面を覆う保護膜（８）を備えていることを特徴とする振動型角速度センサ。
2. 前記保護膜は、絶縁酸化物によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
3. 前記絶縁酸化物がＬＰ−ＴＥＯＳもしくはＡＬＤ−Ａｌ₂Ｏ₃であることを特徴とする請求項２に記載の振動型角速度センサ。
4. 前記保護膜は、絶縁窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
5. 前記保護膜は、窒化物圧電膜であることを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
6. 前記絶縁窒化物がＡｌＮもしくはＳｃＡｌＮであることを特徴とする請求項５に記載の振動型角速度センサ。
7. 前記保護膜は、前記酸化物圧電膜もしくは前記酸化物圧電体の表面をアモルファス化させたアモルファス層によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
8. 前記振動子は半導体材料を母材として形成されており、前記駆動素子もしくは前記検出素子は、前記母材の上に下層電極（６ａ、７ａ）と前記酸化物圧電膜（６ｂ、７ｂ）および上層電極（６ｃ、７ｃ）とが積層された構造とされていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の振動型角速度センサ。
9. 前記振動子は前記酸化物圧電体を母材として形成されており、前記駆動素子もしくは前記検出素子は、前記母材の上に互いに離間した第１電極（６ｆ、７ｆ）と第２電極（６ｇ、７ｇ）とを有した構造とされていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の振動型角速度センサ。

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