JP2009210498A - Physical quantity measuring device - Google Patents

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教史 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a physical quantity measuring device with high detection precision of a physical quantity of an object. <P>SOLUTION: A vibration gyro 1 includes a base part 13 formed by processing a piezoelectric substrate 10, and two vibration arms 11, 12 extended from one end side of the base part 13. Piezoelectric thin plates 51, 52 are adhered and fixed in the vicinity of a rooted part with the base part 13 of each of the vibration arms 11, 12 on one face of the piezoelectric substrate 10 respectively. In addition, constricting parts 21, 22 formed by removing the piezoelectric substrate 10 in prescribed width and prescribed depth are formed on a region overlapped in planar view with the piezoelectric thin plates 51, 52 of faces opposed to faces providing the piezoelectric thin plates 51, 52 of the piezoelectric substrate 10. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電振動片の振動や変位を検出することにより、物理量を検出する物理量測定装置の改良に関するものである。   The present invention relates to an improvement of a physical quantity measuring device that detects a physical quantity by detecting vibration and displacement of a piezoelectric vibrating piece.

近年、車両における車体制御やカーナビゲーションシステムの自車位置検出、また、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの振動制御補正機能（所謂手ぶれ補正）などを充実させる物理測定装置としての振動ジャイロセンサ（以下振動ジャイロと呼ぶ）が広く利用されている。振動ジャイロは、水晶などの圧電性単結晶物からなるジャイロ振動片により、物体の揺れや回転などの振動によってジャイロ振動片の一部に発生する電気信号を角速度として検出し、回転角を算出することによって物体の変位を求めるものである。
このような振動ジャイロを搭載する電子機器に対して、近年、高機能化の要求がますます高まるのに伴って、振動ジャイロには、より高精度な角速度検出を実現する高感度化が強く求められてきている。こうした要求に応えるものとして、角速度の検出に専用の圧電薄板が設けられた振動ジャイロが、例えば特許文献１に紹介されている。 In recent years, a vibration gyro sensor (hereinafter referred to as vibration) as a physical measuring device that enhances vehicle body control in vehicles, vehicle position detection in car navigation systems, and vibration control correction functions (so-called camera shake correction) of digital cameras and digital video cameras, etc. Called gyro) is widely used. A vibrating gyroscope uses a gyro vibrating piece made of a piezoelectric single crystal such as quartz to detect an electrical signal generated in a part of the gyro vibrating piece by vibration such as shaking or rotation of an object as an angular velocity, and calculates a rotation angle. Thus, the displacement of the object is obtained.
As electronic devices equipped with such vibratory gyros have been increasingly demanded for higher functionality in recent years, vibratory gyros are strongly required to be highly sensitive to realize more accurate angular velocity detection. It has been. As a response to such a demand, a vibrating gyroscope provided with a piezoelectric thin plate dedicated to detection of angular velocity is introduced, for example, in Patent Document 1.

特許文献１の振動ジャイロ（水晶振動子）は、圧電基板（水晶基板）を加工することにより形成された基部と、基部から延びる複数の振動腕（枝部）とを有し、各振動腕の対向する面に振動ジャイロを励振するための励振電極が形成されている。そして、各励振電極上には、角速度の検出に専用の圧電薄板（薄板状の圧電素子）が接着剤（接合部材）により接着されて設けられている。
励振させた振動ジャイロに、物体の振動に伴うある角速度の回転力が加わると、それに対応してコリオリ力が各振動腕に発生する。このコリオリ力により、ある瞬間に振動腕が所定方向に変位すると、圧電薄板が圧縮力または伸長力を受けて、圧電薄板上に設けられた検出電極に圧電効果による電位が発生する。この電位を、角速度検出回路に出力することにより、高精度な角速度検出を実現できるようになっている。 The vibrating gyroscope (quartz crystal resonator) of Patent Document 1 has a base portion formed by processing a piezoelectric substrate (quartz crystal substrate), and a plurality of vibrating arms (branches) extending from the base portion. Excitation electrodes for exciting the vibrating gyroscope are formed on the opposing surfaces. On each excitation electrode, a piezoelectric thin plate (thin plate-like piezoelectric element) dedicated for detection of angular velocity is provided by bonding with an adhesive (joining member).
When a rotational force with a certain angular velocity accompanying the vibration of the object is applied to the excited vibrating gyroscope, a Coriolis force is generated in each vibrating arm correspondingly. When the vibrating arm is displaced in a predetermined direction by this Coriolis force, the piezoelectric thin plate receives a compressive force or an extension force, and a potential due to the piezoelectric effect is generated in the detection electrode provided on the piezoelectric thin plate. By outputting this potential to the angular velocity detection circuit, highly accurate angular velocity detection can be realized.

特開平６−１９４１７６号公報JP-A-6-194176

特許文献１に記載の物理量測定装置の構成において、駆動振動および外部の振動に伴う応力が最も大きく加わる部分である振動腕の基部との付け根近傍に圧電薄板を設けることにより、圧電薄板によって検出信号を効率よく取り出すことができることを発明者は見出した。しかしながら、特許文献１では、振動ジャイロ上における圧電薄板を設ける位置について、特に記載がされていない。
また、物理量測定装置を構成する圧電基板のうち、少なくとも振動腕が薄い方が、振動モードにおける振動腕の屈曲運動の変位が大きくなることによって、検出精度をより高めることができるが、圧電基板を薄くし過ぎると機械的強度が低下し、振動ジャイロの耐衝撃性が確保できなかったり、製造工程において破損する可能性が増大して製造が困難になったりする虞があった。 In the configuration of the physical quantity measuring device described in Patent Literature 1, a detection signal is detected by the piezoelectric thin plate by providing a piezoelectric thin plate in the vicinity of the base of the vibrating arm, which is a portion to which stress due to driving vibration and external vibration is applied most. The inventor has found that can be taken out efficiently. However, Patent Document 1 does not particularly describe the position where the piezoelectric thin plate is provided on the vibrating gyroscope.
Further, among the piezoelectric substrates constituting the physical quantity measuring device, at least the one with the vibrating arm being thin can increase the detection accuracy by increasing the displacement of the bending motion of the vibrating arm in the vibration mode. If the thickness is too thin, the mechanical strength is lowered, and the impact resistance of the vibrating gyroscope cannot be ensured, or the possibility of breakage in the manufacturing process increases, making it difficult to manufacture.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

〔適用例１〕本適用例にかかる物理量測定装置は、圧電基板を加工することにより形成された基部と、前記基部から延出する複数の振動腕とを有し、前記振動腕には励振電極が設けられ、前記圧電基板上に、表面に検出電極が設けられた圧電薄板が接合されてなり、外部から作用する力により前記振動腕に生じる振動を前記圧電薄板を用いて検出する物理量測定装置であって、前記圧電基板の、前記振動腕と前記基部との付け根の近傍に括れ部が形成されていることを特徴とする。   Application Example 1 A physical quantity measuring device according to this application example includes a base formed by processing a piezoelectric substrate, and a plurality of vibrating arms extending from the base, and the vibrating arms have excitation electrodes. A physical quantity measuring device for detecting vibration generated in the vibrating arm by a force acting from the outside using the piezoelectric thin plate, wherein a piezoelectric thin plate having a detection electrode provided on the surface thereof is bonded to the piezoelectric substrate. And the constriction part is formed in the vicinity of the base of the said vibrating arm and the said base part of the said piezoelectric substrate, It is characterized by the above-mentioned.

上記適用例の物理量測定装置は、圧電材料からなる圧電基板で形成されていて、外部から作用する力に基づく圧電基板の振動を検出する用途に適用される。この場合、「振動」とは、外部から作用する力に基づいて圧電基板に生じる「振動や変位もしくは変形など」の全てを含む。上記構成の物理量測定装置によれば、振動モードにおける振動腕の屈曲振動や、外部から加わる振動による応力が最も大きく加わる部分である振動腕の基部との付け根近傍に括れ部が設けられている。これにより、振動モードおよび検出モードにおける振動腕の振動の変位が大きくなることによって検出感度が高まるので、物理量の検出精度の高い物理量測定装置を提供することができる。   The physical quantity measuring device of the application example is formed of a piezoelectric substrate made of a piezoelectric material, and is applied to an application for detecting vibration of the piezoelectric substrate based on a force acting from the outside. In this case, “vibration” includes all of “vibration, displacement, deformation, etc.” generated in the piezoelectric substrate based on the force acting from the outside. According to the physical quantity measuring device having the above-described configuration, the constricted portion is provided near the base of the base of the vibrating arm, which is the portion to which the stress caused by the bending vibration of the vibrating arm in the vibration mode or the vibration applied from the outside is the largest. As a result, the detection sensitivity is increased by increasing the displacement of the vibration of the vibrating arm in the vibration mode and the detection mode, so that a physical quantity measuring device with high physical quantity detection accuracy can be provided.

〔適用例２〕上記適用例にかかる物理量測定装置において、前記括れ部が、前記圧電薄板と平面視で重なる領域に設けられていることを特徴とする。   Application Example 2 In the physical quantity measuring device according to the application example described above, the constricted portion is provided in a region overlapping the piezoelectric thin plate in a plan view.

この構成によれば、外部から作用する振動による応力が最も大きく加わる部分に検出電極が設けられた圧電薄板が備えられることにより、検出信号を効率よく取り出すことができるので、検出精度の高い物理量測定装置を提供することができる。   According to this configuration, since the piezoelectric thin plate provided with the detection electrode is provided in the portion where the stress due to the vibration applied from the outside is applied most, the detection signal can be efficiently extracted, so that the physical quantity measurement with high detection accuracy can be performed. An apparatus can be provided.

〔適用例３〕上記適用例にかかる物理量測定装置において、前記括れ部が、前記圧電基板の対向する面の両方に設けられていることを特徴とする。   Application Example 3 In the physical quantity measuring device according to the application example, the constricted portions are provided on both opposing surfaces of the piezoelectric substrate.

この構成によれば、外部からの振動などによる振動腕の変位をさらに大きくすることができるので、物理量測定装置の検出精度をより顕著に向上させる効果を奏する。   According to this configuration, the displacement of the vibrating arm due to external vibration or the like can be further increased, so that the detection accuracy of the physical quantity measuring device can be significantly improved.

以下、物理量測定装置としての振動ジャイロの一実施形態について図面を参照して説明する。
図１、図２、図３は、本実施形態の振動ジャイロを説明するものであり、図１は、後述する圧電薄板が設けられる表側からみた模式平面図、図２は、裏側からみた模式平面図、図３は、図１および図２のＡ−Ａ線断面を示す部分断面図である。なお、図１および図２において、励振電極などの電極部分に斜め線のハッチングを施しているが、これは、各部の構成をわかりやすくする便宜上施しているものであり、金属の断面を示すものではない。 Hereinafter, an embodiment of a vibrating gyroscope as a physical quantity measuring device will be described with reference to the drawings.
1, 2, and 3 illustrate the vibration gyro according to the present embodiment. FIG. 1 is a schematic plan view viewed from the front side where a piezoelectric thin plate to be described later is provided, and FIG. 2 is a schematic plan viewed from the back side. FIGS. 3A and 3B are partial cross-sectional views showing a cross section taken along line AA in FIGS. In FIG. 1 and FIG. 2, hatching of diagonal lines is applied to electrode portions such as excitation electrodes, but this is provided for convenience to make the configuration of each part easy to understand and shows a metal cross section. is not.

図１に示すように、本実施形態の振動ジャイロ１は、圧電基板１０を加工することにより形成された基部１３と、基部１３の一端側から延出する二つの振動腕１１，１２と、を有している。各振動腕１１，１２それぞれの一方の主面（表側の面）上の基部１３との付け根部分近傍の領域には、圧電薄板５１，５２が接着固定されている。また、図２および図３に示すように、圧電基板１０の圧電薄板５１，５２が設けられた面と対向する面（裏側の面）の、圧電薄板５１，５２と平面視で重なる領域には括れ部２１，２２がそれぞれ形成されている。   As shown in FIG. 1, the vibrating gyroscope 1 according to the present embodiment includes a base portion 13 formed by processing a piezoelectric substrate 10 and two vibrating arms 11 and 12 extending from one end side of the base portion 13. Have. Piezoelectric thin plates 51 and 52 are bonded and fixed in the vicinity of the base portion with the base portion 13 on one main surface (front surface) of each of the vibrating arms 11 and 12. As shown in FIGS. 2 and 3, the surface of the piezoelectric substrate 10 facing the surface on which the piezoelectric thin plates 51 and 52 are provided (the surface on the back side) overlaps with the piezoelectric thin plates 51 and 52 in plan view. Constricted portions 21 and 22 are formed, respectively.

圧電基板１０は、本実施形態では、水晶の単結晶から切り出されたものを使用する。この圧電基板１０を加工することにより形成される振動ジャイロ１の本体部分は、基部１３と、この基部１３の一端側（図において右端側）から二股に別れて互いに平行に延出する一対の振動腕１１，１２とを有し、所謂音叉状の外形に形成されている。
このような圧電基板１０の音叉状の外形、および、各振動腕１１，１２の基部１３との付け根部分近傍に設けられる括れ部２１，２２は、例えば水晶ウエハなどの圧電基板材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。 In this embodiment, the piezoelectric substrate 10 is cut out from a single crystal of quartz. A main body portion of the vibration gyro 1 formed by processing the piezoelectric substrate 10 includes a base portion 13 and a pair of vibrations extending in parallel with each other from one end side (right end side in the drawing) of the base portion 13. It has arms 11 and 12 and is formed in a so-called tuning fork-shaped outer shape.
Such a tuning fork-shaped outer shape of the piezoelectric substrate 10 and the constricted portions 21 and 22 provided in the vicinity of the base portion of the vibrating arms 11 and 12 with the base portion 13 are made of, for example, a piezoelectric substrate material such as a quartz wafer with a hydrofluoric acid solution. It can be precisely formed by wet etching or the like by dry etching.

図１に示すように、振動腕１１，１２の一方の面（表側の面）には、駆動用の電極である励振電極１５ａ，１６ａがそれぞれ設けられている。また、基部１３の各振動腕１１，１２が延出された一端側と異なる他端側近傍には、外部との接続に供する外部接続電極１７ａ，１８ａが設けられている。これらの外部接続電極１７ａ，１８ａは、それぞれ励振電極１５ａ，１６ａと対応しており、本実施形態では、励振電極１５ａが引き回し配線により外部接続電極１８ａと接続され、励振電極１６ａが引き回し配線により外部接続電極１７ａに接続されている。
同様に、図２に示すように、振動腕１１，１２の他方の面（裏側の面）の主面には、励振電極１５ｂ，１６ｂがそれぞれ設けられ、基部１３には外部接続電極１７ｂ，１８ｂが設けられている。本実施形態では、励振電極１５ｂが引き回し配線により外部接続電極１８ｂと接続され、励振電極１６ｂが引き回し配線により外部接続電極１７ｂに接続されている。
これらの電極や配線は、水晶をエッチングして振動ジャイロ１の外形を形成した後で、例えば、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）を下地層として、その上に、蒸着またはスパッタリングにより例えば金（Ａｕ）による電極層を成膜し、その後フォトリソグラフィを用いてパターニングすることにより形成することができる。 As shown in FIG. 1, excitation electrodes 15a and 16a, which are driving electrodes, are provided on one surface (front surface) of the vibrating arms 11 and 12, respectively. In addition, external connection electrodes 17a and 18a for connection to the outside are provided in the vicinity of the other end side different from the one end side where the vibrating arms 11 and 12 of the base portion 13 are extended. These external connection electrodes 17a and 18a correspond to the excitation electrodes 15a and 16a, respectively. In this embodiment, the excitation electrode 15a is connected to the external connection electrode 18a by the routing wiring, and the excitation electrode 16a is externally connected by the routing wiring. It is connected to the connection electrode 17a.
Similarly, as shown in FIG. 2, excitation electrodes 15 b and 16 b are respectively provided on the main surfaces of the other surfaces (rear surfaces) of the vibrating arms 11 and 12, and external connection electrodes 17 b and 18 b are provided on the base portion 13. Is provided. In the present embodiment, the excitation electrode 15b is connected to the external connection electrode 18b by a lead wiring, and the excitation electrode 16b is connected to the external connection electrode 17b by a lead wiring.
These electrodes and wirings are formed by etching the crystal to form the outer shape of the vibrating gyroscope 1, and then using, for example, nickel (Ni) or chromium (Cr) as an underlayer, and depositing, for example, gold (by gold or sputtering). An electrode layer made of Au) can be formed, and then patterned by photolithography.

図３に示すように、振動腕１１の基部１３との付け根部近傍には、薄い平板状の圧電板５０上に検出電極５５が設けられた圧電薄板５１が、接着剤１００により接着・固定されている。これと同様に、振動腕１２の括れ部２２の凹底部分には圧電薄板５２が接着剤により接着・固定されている（図１を参照）。各圧電薄板５１，５２に設けられた検出電極５５は、上記の励振電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂおよび外部接続電極１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂと同様な方法で形成することができる。なお、各圧電薄板５１，５２に設けられた検出電極５５は、図示はしないが振動ジャイロ１の内部配線により外部に引き出されるようになっている。
なお、接着剤１００としては、熱硬化型の接着剤や紫外線硬化型の接着剤など、さまざまなタイプの接着剤を用いることができ、特に紫外線硬化型の接着剤は、硬化時の温度ストレスが殆どかからないので好ましい。また、各振動腕１１，１２の基部１３との付け根近傍に、励振電極とは絶縁された状態の検出用の電極端子をそれぞれ設ける構成とすれば、接着剤１００として導電性の接着剤を適用し、圧電薄板５１，５２をそれぞれ接着すると同時に、各検出電極５５と前記検出用の接続端子とを電気的に接続することが可能である。 As shown in FIG. 3, a piezoelectric thin plate 51 in which a detection electrode 55 is provided on a thin flat plate-like piezoelectric plate 50 is bonded and fixed by an adhesive 100 in the vicinity of the base portion of the vibrating arm 11 with the base portion 13. ing. Similarly, the piezoelectric thin plate 52 is bonded and fixed to the concave bottom portion of the constricted portion 22 of the vibrating arm 12 with an adhesive (see FIG. 1). The detection electrodes 55 provided on the piezoelectric thin plates 51 and 52 can be formed by the same method as the excitation electrodes 15a, 15b, 16a and 16b and the external connection electrodes 17a, 17b, 18a and 18b. The detection electrodes 55 provided on the piezoelectric thin plates 51 and 52 are drawn out to the outside by an internal wiring of the vibrating gyroscope 1 although not shown.
As the adhesive 100, various types of adhesives such as a thermosetting adhesive and an ultraviolet curable adhesive can be used. In particular, the ultraviolet curable adhesive has a temperature stress during curing. It is preferable because it hardly takes. In addition, if an electrode terminal for detection in a state of being insulated from the excitation electrode is provided in the vicinity of the base of the vibrating arms 11 and 12 with the base portion 13, a conductive adhesive is applied as the adhesive 100. Then, at the same time as bonding the piezoelectric thin plates 51 and 52, it is possible to electrically connect each detection electrode 55 and the connection terminal for detection.

図２に示すように、圧電基板１０の圧電薄板５１が設けられた面と対向する面の振動腕１１の基部１３との付け根近傍には、所定の幅にて圧電基板１０を所定の深さまで除去することにより形成された括れ部２１が設けられている。本実施形態では、括れ部２１が圧電薄板５１と平面視で重なる領域に、圧電薄板５１よりも狭い幅にて形成されている。
これと同様に、圧電基板１０の圧電薄板５２が設けられた面と対向する面の振動腕１２の基部１３との付け根近傍には括れ部２２が形成されている（図２を参照）。
ここで、括れ部２１，２２の所定の深さとは、振動ジャイロ１において、実用上の耐衝撃性を確保し、また、振動ジャイロ１の製造工程におけるハンドリング性を損なわないレベルの剛性を残すように設定される。 As shown in FIG. 2, in the vicinity of the base of the vibrating arm 11 on the surface opposite to the surface on which the piezoelectric thin plate 51 of the piezoelectric substrate 10 is provided, the piezoelectric substrate 10 has a predetermined width to a predetermined depth. A constricted portion 21 formed by removal is provided. In the present embodiment, the constricted portion 21 is formed in a region overlapping the piezoelectric thin plate 51 in a plan view with a narrower width than the piezoelectric thin plate 51.
Similarly, a constricted portion 22 is formed in the vicinity of the base of the vibrating arm 12 on the surface facing the surface on which the piezoelectric thin plate 52 of the piezoelectric substrate 10 is provided (see FIG. 2).
Here, the predetermined depth of the constricted portions 21 and 22 is to ensure practical shock resistance in the vibrating gyroscope 1 and to leave a level of rigidity that does not impair handling properties in the manufacturing process of the vibrating gyroscope 1. Set to

上記のように振動ジャイロ１に設けられた括れ部２１，２２は、振動ジャイロ１に駆動電圧を印加して駆動させて振動腕１１，１２を屈曲振動させた振動モードにおいて、駆動振動および外部の振動に伴う応力が最も大きく加わる箇所である各振動腕１１，１２の基部１３との付け根近傍にそれぞれ設けられている。すなわち、応力が大きく加わる部分の圧電基板１０の厚みが薄くなっているので、各振動腕１１，１２が変形しやすくなって振動の変位が大きくなる。これにより、振動ジャイロ１の駆動効率が向上するとともに、振動ジャイロ１が搭載された物体の振動に対する検出効率が向上するという効果を奏する。   As described above, the constricted portions 21 and 22 provided in the vibration gyro 1 are driven in the vibration mode in which the vibration arms 11 and 12 are flexibly vibrated by applying a drive voltage to the vibration gyro 1 to drive and vibrate external vibration. It is provided in the vicinity of the base with the base portion 13 of each vibrating arm 11, 12, which is the place where the stress accompanying vibration is applied most. That is, since the thickness of the piezoelectric substrate 10 where the stress is greatly applied is thin, the vibrating arms 11 and 12 are easily deformed, and the displacement of the vibration is increased. As a result, the driving efficiency of the vibration gyro 1 is improved, and the detection efficiency for the vibration of the object on which the vibration gyro 1 is mounted is improved.

図１において、振動ジャイロ１に、外部に接続された励振手段としての発振回路から励振電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂに駆動電圧を印加して、振動腕１１，１２を矢印Ｇの方向に沿って、所謂音叉振動させる。このときに、Ｙ方向の回りに回転角速度ωが作用すると、振動腕１１，１２は、Ｘ方向の振動の方向と回転角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリ力を受けて、ＹＺ平面に沿ってウオーク振動する。このウオーク振動により、圧電薄板５１，５２が圧縮力または伸張力を受け、その応力に基づく逆圧電現象によりより圧電薄板５１，５２上のそれぞれ設けられた検出電極５５（図３を参照）に電圧が生じる。この回転角速度ωに対応した電位を外部の角速度検出回路に出力することにより、振動ジャイロ１が搭載された物体の回転角速度ωを検知することができる。   In FIG. 1, a drive voltage is applied to the excitation electrodes 15a, 15b, 16a, 16b from an oscillation circuit as an excitation means connected to the vibration gyro 1, and the vibration arms 11, 12 are moved along the direction of arrow G. Thus, the so-called tuning fork is vibrated. At this time, when the rotational angular velocity ω acts around the Y direction, the vibrating arms 11 and 12 receive the Coriolis force acting in the vector product direction of the vibration direction in the X direction and the rotational angular velocity ω, The walk vibrates along. Due to the walk vibration, the piezoelectric thin plates 51 and 52 receive a compressive force or an extension force, and voltage is applied to the detection electrodes 55 (see FIG. 3) provided on the piezoelectric thin plates 51 and 52 by the reverse piezoelectric phenomenon based on the stress. Occurs. By outputting a potential corresponding to the rotational angular velocity ω to an external angular velocity detection circuit, the rotational angular velocity ω of the object on which the vibrating gyroscope 1 is mounted can be detected.

上記実施形態の振動ジャイロ１によれば、振動モードにおける振動腕１１，１２の屈曲振動や、外部から振動ジャイロ１に加わる振動に伴って生じる応力が最も大きく加わる部分である振動腕１１，１２それぞれの基部１３との付け根近傍に圧電薄板５１，５２が設けられている。さらに、これらの括れ部２１，２２は、検出電極５５が設けられた圧電薄板５１，５２と平面視で重なる領域に形成されている。これにより、振動モードにおける振動腕１１，１２の振動の変位が大きくなり、また、検出信号を効率よく取り出すことができるので、物理量の検出精度の高い振動ジャイロ１を提供することができる。
また、圧電基板１０を部分的に薄くすることにより振動特性および検出特性の向上を図っていることにより、全体的に薄い圧電基板を用いて振動ジャイロを構成した場合に比して高い剛性が確保されるので、耐衝撃性や、製造工程におけるハンドリング性を損なうことなく振動ジャイロ１の検出精度の向上を図ることができる。 According to the vibrating gyroscope 1 of the above-described embodiment, the vibrating arms 11 and 12 which are the portions to which the stress caused by the bending vibration of the vibrating arms 11 and 12 in the vibration mode and the vibration applied to the vibrating gyroscope 1 from the outside are most greatly applied, respectively. Piezoelectric thin plates 51 and 52 are provided in the vicinity of the base with the base 13. Further, these constricted portions 21 and 22 are formed in regions overlapping with the piezoelectric thin plates 51 and 52 provided with the detection electrodes 55 in plan view. Thereby, the displacement of the vibration of the vibrating arms 11 and 12 in the vibration mode is increased, and the detection signal can be taken out efficiently, so that the vibration gyro 1 with high physical quantity detection accuracy can be provided.
In addition, since the vibration characteristics and detection characteristics are improved by partially thinning the piezoelectric substrate 10, high rigidity is ensured as compared with the case where the vibration gyro is configured using a thin piezoelectric substrate as a whole. Therefore, it is possible to improve the detection accuracy of the vibration gyro 1 without impairing the impact resistance and the handling properties in the manufacturing process.

上記実施形態で説明した振動ジャイロ１は、以下の変形例として実施することも可能である。   The vibrating gyroscope 1 described in the above embodiment can also be implemented as the following modifications.

（変形例）
上記実施形態では、各振動腕１１，１２の基部１３との付け根近傍において、圧電基板１０の圧電薄板５１，５２が設けられた面と対向する面に括れ部２１，２２を形成した。これに限らず、圧電基板１０の圧電薄板５１，５２が設けられた面側にも括れ部を設けることにより、検出精度をより向上させることが可能である。
図４は、圧電基板の対向する両面にそれぞれ括れ部を設けた構成の振動ジャイロを説明するものであり、図３と同じ断面を示す部分断面図である。なお、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。 (Modification)
In the above-described embodiment, the constricted portions 21 and 22 are formed on the surface of the piezoelectric substrate 10 that faces the surface on which the piezoelectric thin plates 51 and 52 are provided in the vicinity of the base of the vibrating arms 11 and 12 with the base portion 13. However, the present invention is not limited to this, and the detection accuracy can be further improved by providing the constricted portion on the surface side of the piezoelectric substrate 10 on which the piezoelectric thin plates 51 and 52 are provided.
FIG. 4 is a partial cross-sectional view illustrating a vibration gyro having a configuration in which constricted portions are provided on both opposing surfaces of a piezoelectric substrate, and showing the same cross section as FIG. In addition, about the same structure as the said embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

図４において、振動ジャイロ６０は、上記実施形態の振動ジャイロ１と同様に、圧電基板７０を加工することにより形成された基部１３と、基部１３の一端側から延出する二つの振動腕とを有する音叉状の外形を有し、図中、二つの振動腕のうち一方の振動腕７１側の部分断面を示している。   In FIG. 4, the vibrating gyroscope 60 includes a base portion 13 formed by processing the piezoelectric substrate 70 and two vibrating arms extending from one end side of the base portion 13, similarly to the vibrating gyroscope 1 of the above embodiment. The figure shows a partial cross section on the side of one vibrating arm 71 of the two vibrating arms.

振動ジャイロ６０において、圧電基板７０の一方の主面側の振動腕７１と基部１３との付け根部分近傍には、圧電板５０上に検出電極５５が設けられた圧電薄板５１が接着剤１００により接着・固定されている。圧電基板７０の圧電薄板５１と平面視で重なる領域の対向する両面には、括れ部６１，２１がそれぞれ形成されている。本変形例では、圧電基板７０の圧電薄板５１直下の面に括れ部６１が形成され、括れ部６１が形成された面と対向する面に括れ部２１が形成されている。
振動腕７１の括れ部６１が形成された主面には励振電極１５ａが設けられ、これと同一面の基部１３上には励振電極１５ａと対応する外部接続電極１７ａが設けられ、外部接続電極１７ａと励振電極１５ａとが引き回し配線（図示せず）により接続されている。
同様に、図示はしないが、基部１３から振動腕７１と平行に延出して設けられる他方の振動腕（図１、図２における振動腕１２）においても、その振動腕と基部１３との付け根近傍に圧電薄板（図１、図２における圧電薄板５２）が設けられ、圧電基板７０の圧電薄板と平面視で重なる領域の両面に、括れ部がそれぞれ形成されている。 In the vibrating gyroscope 60, a piezoelectric thin plate 51 in which a detection electrode 55 is provided on a piezoelectric plate 50 is bonded by an adhesive 100 in the vicinity of the base portion between the vibrating arm 71 on one main surface side of the piezoelectric substrate 70 and the base portion 13.・ It is fixed. Constricted portions 61 and 21 are respectively formed on both opposing surfaces of a region overlapping the piezoelectric thin plate 51 of the piezoelectric substrate 70 in plan view. In this modification, the constricted portion 61 is formed on the surface of the piezoelectric substrate 70 immediately below the piezoelectric thin plate 51, and the constricted portion 21 is formed on the surface opposite to the surface on which the constricted portion 61 is formed.
An excitation electrode 15a is provided on the main surface on which the constricted portion 61 of the vibrating arm 71 is formed, and an external connection electrode 17a corresponding to the excitation electrode 15a is provided on the base 13 on the same surface as the external connection electrode 17a. And the excitation electrode 15a are connected by routing wiring (not shown).
Similarly, although not shown, in the other vibrating arm (vibrating arm 12 in FIGS. 1 and 2) provided to extend in parallel with the vibrating arm 71 from the base portion 13, the vicinity of the root of the vibrating arm and the base portion 13 is also shown. A piezoelectric thin plate (piezoelectric thin plate 52 in FIGS. 1 and 2) is provided, and constrictions are formed on both surfaces of a region of the piezoelectric substrate 70 that overlaps the piezoelectric thin plate in plan view.

上記した構成の振動ジャイロ６０によれば、圧電基板７０の振動腕７１と基部１３との付け根部近傍の対向する両面側に括れ部６１，２１がそれぞれ形成されていることにより、振動腕１１の振動モードにおける屈曲振動の変位がさらに大きくなる。これによって、より検出感度の高い振動ジャイロ６０を提供することができる。   According to the vibrating gyroscope 60 having the above-described configuration, the constricted portions 61 and 21 are formed on both opposite sides in the vicinity of the base portion of the vibrating arm 71 and the base portion 13 of the piezoelectric substrate 70, respectively. The displacement of the bending vibration in the vibration mode is further increased. Thereby, the vibration gyro 60 with higher detection sensitivity can be provided.

以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態およびその変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。   Although the embodiments of the present invention made by the inventor have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications thereof, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. It is possible to make changes.

例えば、上記実施形態および変形例で説明した振動ジャイロ１，６０の括れ部２１，２２，６１は、圧電基板１０，７０の振動腕１１，１２，７１の基部１３との付け根部分近傍において、圧電薄板５１，５２とそれぞれ平面視で重なる位置に設ける構成とした。これに限らず、括れ部を、圧電基板１０，７０の圧電薄板が設けられた面と直交して対向する面の一方または両方に形成する構成としてもよい。   For example, the constricted portions 21, 22, 61 of the vibration gyros 1, 60 described in the above embodiment and the modification are piezoelectric in the vicinity of the base portion of the vibration arms 11, 12, 71 of the piezoelectric substrates 10, 70 and the base 13. It was set as the structure provided in the position which each overlaps with the thin plates 51 and 52 by planar view. However, the constricted portion is not limited to this, and the constricted portion may be formed on one or both of the surfaces of the piezoelectric substrates 10 and 70 facing perpendicularly to the surface on which the piezoelectric thin plate is provided.

また、上記実施形態および変形例で説明した振動ジャイロ１，６０の本体部分を構成する圧電基板１０には水晶を用いたが、これに限定されない。水晶以外に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ほう酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウム、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの薄膜圧電材料を積層させて構成された圧電基板を用いることもできる。 In addition, although quartz is used for the piezoelectric substrate 10 constituting the main body portion of the vibrating gyros 1 and 60 described in the above-described embodiments and modifications, the present invention is not limited to this. In addition to quartz, oxides such as aluminum nitride (AlN), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), lithium tetraborate (Li 2 B 4 O 7 ) A piezoelectric substrate formed by stacking a thin film piezoelectric material such as aluminum nitride or tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) on a substrate or a glass substrate can also be used.

また、上記実施形態および変形例では、励振電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂや外部接続電極１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ、あるいはそれらの引き回し電極、および圧電薄板５１，５２の検出電極５５などの各電極の形成用金属材料として、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）を下地層としてその上に蒸着またはスパッタリングにより、例えば金（Ａｕ）による電極層を成膜したものを用いる例を説明した。これに限定されず、例えば、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を用いることもできる。また、マグネシウム（Ｍｇ）などを用いることも可能である。   Further, in the above-described embodiment and modification, each of the excitation electrodes 15a, 15b, 16a, 16b, the external connection electrodes 17a, 17b, 18a, 18b, the routing electrodes thereof, and the detection electrodes 55 of the piezoelectric thin plates 51, 52, etc. As an example of the metal material for forming the electrode, an example has been described in which nickel (Ni) or chromium (Cr) is used as a base layer and an electrode layer made of, for example, gold (Au) is formed thereon by vapor deposition or sputtering. For example, a metal material such as titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), or aluminum (Al) can be used. Magnesium (Mg) or the like can also be used.

また、上記実施形態および変形例で説明した特定の形態、例えば、振動腕１１，１２，７１や基部１３の形状、および括れ部２１，２２，６１の形状は特に限定されない。例えば、上記実施形態および変形例では、基部１３に対して、一対の振動腕１１，１２，７１が設けられた振動ジャイロ１，６０について説明したが、これに限らず、例えば、基部１３を中心として、互いに反対方向に各一対、もしくは複数の数の振動腕が延出して設けられる構成の物理量測定装置に対しても、上記実施形態および変形例と同様の原理に基づいて適用することができる。
また、励振電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂや外部接続電極１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ、あるいはそれらの引き回し電極、および圧電薄板５１，５２の検出電極５５の位置や形状についても上記実施形態および変形例の形態に限定されない。 Moreover, the specific form demonstrated by the said embodiment and modification, for example, the shape of the vibrating arms 11, 12, 71, the base 13, and the shape of the constricted parts 21, 22, 61 are not specifically limited. For example, in the above-described embodiment and the modification, the vibration gyroscopes 1 and 60 provided with the pair of vibration arms 11, 12, and 71 with respect to the base portion 13 have been described. As described above, the present invention can also be applied to a physical quantity measuring device having a configuration in which a pair or a plurality of vibrating arms extend in opposite directions to each other based on the same principle as in the above embodiment and the modification. .
Further, the positions and shapes of the excitation electrodes 15a, 15b, 16a, 16b, the external connection electrodes 17a, 17b, 18a, 18b, or their routing electrodes, and the detection electrodes 55 of the piezoelectric thin plates 51, 52 are also the same as those in the above embodiment and modifications. It is not limited to the example form.

また、上記実施形態および変形例では、物理量測定装置としての振動ジャイロ１，６０について説明した。これに限らず、本発明は、圧電基板を所望の形状に加工して形成されていて、外部から作用する物理量の影響によって圧電基板の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を検出する物理量測定装置を対象とする。こうした物理量としては、圧電振動片に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、物理量測定装置としては慣性センサーが好ましい。   In the embodiment and the modification, the vibration gyros 1 and 60 as the physical quantity measuring device have been described. The present invention is not limited to this, and the present invention is formed by processing a piezoelectric substrate into a desired shape, and when the vibration state of the piezoelectric substrate changes due to the influence of a physical quantity acting from the outside, the change of the vibration state is performed. A physical quantity measuring device that detects a physical quantity that can be detected through a detection circuit is used. As such physical quantities, acceleration, angular velocity, and angular acceleration applied to the piezoelectric vibrating piece are particularly preferable. Moreover, an inertial sensor is preferable as the physical quantity measuring device.

振動ジャイロの一実施形態を表側からみた模式平面図。The schematic plan view which looked at one Embodiment of the vibration gyro from the front side. 振動ジャイロを裏側からみた模式平面図。The schematic top view which looked at the vibration gyro from the back side. 振動ジャイロの図１および図２のＡ−Ａ線断面を示す部分断面図。The fragmentary sectional view which shows the AA line cross section of FIG. 1 and FIG. 2 of a vibration gyro. 振動ジャイロの変形例を説明する部分断面図。The fragmentary sectional view explaining the modification of a vibration gyro.

符号の説明Explanation of symbols

１，６０…物理量測定装置としての振動ジャイロ、１０，７０…圧電基板、１１，１２，７１…振動腕、１３…基部、１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ…励振電極、１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ…外部接続電極、２１，２２，６１…括れ部、５０…圧電薄板の基材としての圧電板、５１，５２…圧電薄板、５５…検出電極、１００…接着剤。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,60 ... Vibration gyro as a physical quantity measuring device 10, 70 ... Piezoelectric substrate, 11, 12, 71 ... Vibration arm, 13 ... Base, 15a, 15b, 16a, 16b ... Excitation electrode, 17a, 17b, 18a, 18b DESCRIPTION OF SYMBOLS External connection electrode 21, 22, 61 ... Constriction part 50 ... Piezoelectric plate as a base material of a piezoelectric thin plate, 51, 52 ... Piezoelectric thin plate, 55 ... Detection electrode, 100 ... Adhesive.

Claims (3)

圧電基板を加工することにより形成された基部と、前記基部から延出する複数の振動腕とを有し、前記振動腕には励振電極が設けられ、前記圧電基板上に、表面に検出電極が設けられた圧電薄板が接合されてなり、外部から作用する力により前記振動腕に生じる振動を前記圧電薄板を用いて検出する物理量測定装置であって、
前記圧電基板の、前記振動腕と前記基部との付け根の近傍に括れ部が形成されていることを特徴とする物理量測定装置。 A base formed by processing the piezoelectric substrate; and a plurality of vibrating arms extending from the base, wherein the vibrating arm is provided with an excitation electrode, and a detection electrode is provided on the surface of the piezoelectric substrate. A physical quantity measuring device that detects vibration generated in the vibrating arm by a force acting from the outside by bonding the provided piezoelectric thin plates using the piezoelectric thin plate,
A physical quantity measuring device, wherein a constricted portion is formed in the vicinity of a base of the vibrating arm and the base portion of the piezoelectric substrate. 請求項１に記載の物理量測定装置において、
前記括れ部が、前記圧電薄板と平面視で重なる領域に設けられていることを特徴とする物理量測定装置。 The physical quantity measuring device according to claim 1,
The physical quantity measuring device, wherein the constricted portion is provided in a region overlapping the piezoelectric thin plate in plan view. 請求項１または２に記載の物理量測定装置において、
前記括れ部が、前記圧電基板の対向する面の両方に設けられていることを特徴とする物理量測定装置。 The physical quantity measuring device according to claim 1 or 2,
The physical quantity measuring device, wherein the constricted portion is provided on both opposing surfaces of the piezoelectric substrate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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