JP5810685B2 - Vibrator and vibratory gyro - Google Patents
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Description
この発明は、振動面で面内振動する振動モードを有する振動子と、振動面に対して垂直な回転軸回りで振動子に作用する角速度を検出する振動ジャイロとに関する。 The present invention relates to a vibrator having a vibration mode that vibrates in a plane on a vibration surface, and a vibration gyro that detects an angular velocity acting on the vibrator around a rotation axis perpendicular to the vibration surface.
角速度を検出する振動ジャイロは、回転軸に直交する駆動軸に沿って振動する第1の振動モード（駆動振動モード）と、回転軸および駆動軸に直交する検出軸に沿って振動する第２の振動モード（検出振動モード）と、を有する振動子を備えている。駆動振動モードで振動する振動子が回転軸回りに回転すると、振動子には検出軸に沿ったコリオリの力が作用する。このコリオリの力が作用すると、振動子は検出振動モードで振動する。検出振動モードの振動振幅は、コリオリの力や回転運動の角速度に応じたものになる。このため、検出振動モードの振動振幅を検出することで、回転運動の角速度を検出することができる。 The vibration gyro that detects the angular velocity includes a first vibration mode (drive vibration mode) that vibrates along a drive axis that is orthogonal to the rotation axis, and a second vibration that vibrates along the detection axis that is orthogonal to the rotation axis and the drive axis. A vibrator having a vibration mode (detection vibration mode) is provided. When the vibrator that vibrates in the drive vibration mode rotates around the rotation axis, Coriolis force along the detection axis acts on the vibrator. When this Coriolis force is applied, the vibrator vibrates in the detection vibration mode. The vibration amplitude in the detection vibration mode depends on the Coriolis force and the angular velocity of the rotational motion. For this reason, the angular velocity of the rotational motion can be detected by detecting the vibration amplitude in the detection vibration mode.
振動ジャイロに利用される振動子の構造は、さまざまである（例えば特許文献１〜３参照。）。ある種の振動子は、回転軸に直交する面内で環状に構成される（特に特許文献１参照。）。 There are various structures of vibrators used in the vibrating gyroscope (see, for example, Patent Documents 1 to 3). A certain type of vibrator is configured in a ring shape in a plane perpendicular to the rotation axis (see particularly Patent Document 1).
図１（Ａ）は、従来の環状の振動子を備える振動ジャイロ１０１の平面図（Ｘ−Ｙ面平面図）である。振動ジャイロ１０１は、開口を設けた矩形平板形状であり、枠部１０２と、支持梁１０３と、連結梁１０４と、振動子１０５とを備えている。枠部１０２は、振動ジャイロ１０１の外周部を構成する矩形枠状の部位である。支持梁１０３は、枠部１０２の四辺それぞれの中央部に設けられていて、枠部１０２の各辺に並行し、両端で枠部１０２に連結されている。連結梁１０４は、各支持梁１０３の中央に直交して連結されている。振動子１０５は、円環状の部位であり、連結梁１０４に四点で支持されている。 FIG. 1A is a plan view (XY plane plan view) of a vibration gyro 101 having a conventional annular vibrator. The vibrating gyroscope 101 has a rectangular flat plate shape with an opening, and includes a frame portion 102, a support beam 103, a connecting beam 104, and a vibrator 105. The frame portion 102 is a rectangular frame-shaped portion that constitutes the outer peripheral portion of the vibration gyro 101. The support beam 103 is provided at the center of each of the four sides of the frame portion 102, and is connected to the frame portion 102 at both ends in parallel with each side of the frame portion 102. The connecting beam 104 is connected orthogonally to the center of each support beam 103. The vibrator 105 is an annular portion and is supported by the connecting beam 104 at four points.
図１（Ｂ）は、振動子１０５の駆動振動モードにおける変形について説明する模式図である。振動子１０５は、Ｘ軸とＹ軸とのそれぞれに沿って互いに逆の位相で伸縮するように駆動される。図１（Ｃ）は、振動子１０５にコリオリの力が作用した状態である検出振動モードにおける変形について説明する模式図である。振動子１０５は、駆動による振動とコリオリの力による振動とが互いに直交する方向に励起することになる。そのため、コリオリの力が作用すると、振動子１０５は、Ｘ軸およびＹ軸から傾いた方向に沿って伸縮することになる。したがって、この振動子１０５では、作用するコリオリの力の大きさに応じて、ノード点（節）やアンチノード点（腹）の位置が変化（回転）することになる。 FIG. 1B is a schematic diagram for explaining deformation of the vibrator 105 in the drive vibration mode. The vibrator 105 is driven to expand and contract in opposite phases along the X axis and the Y axis. FIG. 1C is a schematic diagram for explaining the deformation in the detection vibration mode in which the Coriolis force is applied to the vibrator 105. The vibrator 105 is excited in a direction in which vibration caused by driving and vibration caused by Coriolis force are orthogonal to each other. Therefore, when the Coriolis force is applied, the vibrator 105 expands and contracts along the direction inclined from the X axis and the Y axis. Therefore, in this vibrator 105, the position of the node point (node) or the anti-node point (antinode) changes (rotates) according to the magnitude of the acting Coriolis force.
このように、振動子１０５におけるノード点やアンチノード点の位置はコリオリの力の大きさによって変化し、振動子１０５自体には固定されたノード点が存在しない。そのため、振動子１０５は、各点の変位が拘束されないように支持梁１０３や連結梁１０４によって支持される必要がある。 As described above, the position of the node point or anti-node point in the vibrator 105 changes depending on the magnitude of the Coriolis force, and there is no fixed node point in the vibrator 105 itself. Therefore, the vibrator 105 needs to be supported by the support beam 103 and the connection beam 104 so that the displacement of each point is not constrained.
また、一般に、振動ジャイロでは、角速度の検出感度が高いことが望まれている。角速度の検出感度は、振動子に作用するコリオリの力の最大値と、コリオリの力１Ｎ（ニュートン）当たりに出力される検出電圧（以下、検出効率と称する。）との積に比例する値として表すことができる。コリオリの力の最大値は、振動子の質量と、駆動振動モードでの振動子の変位の最大速度と、振動子に作用する角速度との積として表すことができる。したがって、角速度の検出感度は、検出効率と、振動子の質量と、駆動振動モードでの振動子の変位の最大速度との積に比例する値として表すことができる。 In general, it is desired that a vibration gyro has high angular velocity detection sensitivity. The angular velocity detection sensitivity is a value proportional to the product of the maximum value of Coriolis force acting on the vibrator and the detection voltage (hereinafter referred to as detection efficiency) output per Coriolis force 1N (Newton). Can be represented. The maximum value of the Coriolis force can be expressed as the product of the mass of the vibrator, the maximum speed of displacement of the vibrator in the drive vibration mode, and the angular velocity acting on the vibrator. Therefore, the angular velocity detection sensitivity can be expressed as a value proportional to the product of the detection efficiency, the mass of the vibrator, and the maximum speed of displacement of the vibrator in the drive vibration mode.
これらの検出効率や、振動子の質量、駆動振動モードでの振動子の最大速度などは、検出感度に対してだけでなく、振動子の厚み、幅寸法、剛性、共振モード及びその共振周波数に対しても相関を持つことになる。 These detection efficiencies, vibrator mass, vibrator maximum speed in drive vibration mode, etc. are not only related to detection sensitivity, but also to vibrator thickness, width dimensions, rigidity, resonance mode and resonance frequency. There is also a correlation.
近年、振動ジャイロの小型化が強く求められている。一般に、振動子を小型化すると共振周波数が高くなる。このため、小型化した振動子を有する振動ジャイロをデジタルカメラなどに搭載したとき、振動子の共振周波数と手ブレの周波数との差が大きくなってしまう。そのため、手ブレなどに対する感度が劣化してしまうことがある。 In recent years, downsizing of vibration gyros has been strongly demanded. Generally, when the vibrator is downsized, the resonance frequency increases. For this reason, when a vibration gyro having a miniaturized vibrator is mounted on a digital camera or the like, the difference between the resonance frequency of the vibrator and the frequency of camera shake becomes large. Therefore, sensitivity to camera shake or the like may deteriorate.
そこで、振動子を特定の構造にしたり、振動子を特定の振動モードで振動するようにしたりすることで、振動子を小型化しても、共振周波数が高くなることを防ぐことができる。 Therefore, by setting the vibrator to a specific structure or vibrating the vibrator in a specific vibration mode, the resonance frequency can be prevented from increasing even if the vibrator is downsized.
さらに、振動ジャイロのドリフト特性を改善するためには、駆動振動モードと検出振動モードとの両方において、共通のノード点を有する必要がある。 Furthermore, in order to improve the drift characteristic of the vibration gyro, it is necessary to have a common node point in both the drive vibration mode and the detection vibration mode.
共通のノード点で振動子を支持することにより、振動子を支持する支持部からの振動漏れや外乱による振動の伝わりを防ぐことができ、良好な感度ドリフト特性を得ることができる。 By supporting the vibrator at a common node point, it is possible to prevent vibration leakage from the support portion supporting the vibrator and transmission of vibration due to disturbance, and to obtain good sensitivity drift characteristics.
振動子の共振周波数は振動子の形状で決まる振動モードと剛性と質量とにより定まり、その振動モードにおいては振動子の厚みおよび幅の寸法を調整することによって剛性や質量を変化させて、共振周波数を変更することが可能である。しかしながら、厚みおよび幅の寸法を調整することによって共振周波数を変更すると、共振周波数以外の特性まで変化してしまい、角速度の検出感度を改善できないことがある。 The resonance frequency of the vibrator is determined by the vibration mode, rigidity, and mass determined by the shape of the vibrator, and in that vibration mode, the rigidity and mass are changed by adjusting the thickness and width dimensions of the vibrator. It is possible to change. However, if the resonance frequency is changed by adjusting the thickness and width dimensions, the characteristics other than the resonance frequency are changed, and the angular velocity detection sensitivity may not be improved.
そこで本発明は、厚みおよび幅の寸法の調整に因らずに共振周波数を低くすることが可能な振動子と、その振動子を用いて角速度を高い感度で検出することができる振動ジャイロとの実現を目的とする。 Therefore, the present invention provides a vibrator capable of lowering the resonance frequency regardless of adjustment of thickness and width dimensions, and a vibration gyro capable of detecting angular velocity with high sensitivity using the vibrator. The purpose is realization.
この発明に係る振動子は、複合梁を備えている。複合梁は、互いに並行する第１の梁部と第２の梁部とを両端で剛接した構成である。複合梁は、第１の梁部と第２の梁部とが反対称に撓んで両端部の間隔が変化するように振動する振動モードを有する。ここで反対称とは、位相が１８０°ずれた変形を指す用語である。この構成では、断面積が等しい単純梁に比較して剛性が低く、単純梁の振動モードよりも、共振周波数が低い振動モードが得られる。したがって、この振動子を振動ジャイロに用いれば、角速度の検出感度を高められる。 The vibrator according to the present invention includes a composite beam. The composite beam has a configuration in which a first beam portion and a second beam portion that are parallel to each other are rigidly contacted at both ends. The composite beam has a vibration mode in which the first beam portion and the second beam portion bend antisymmetrically and vibrate so that the distance between both ends changes. Here, anti-symmetric is a term indicating a deformation whose phase is shifted by 180 °. In this configuration, the vibration mode is lower than that of a simple beam having the same cross-sectional area and the resonance frequency is lower than that of the simple beam. Therefore, if this vibrator is used in a vibrating gyroscope, the angular velocity detection sensitivity can be increased.
上述の振動子は、矩形環状部を備えると好適である。矩形環状部は、第１の梁部が外周側に位置し、第２の梁部が内周側に位置するように、複合梁を端部同士で剛接させて矩形環状に繋いだ構成であり、各複合梁は、矩形環状部の環状中心を通る軸に対して直交する面上に、第１の梁部と第２の梁部とが位置する構成である。この構成は、各複合梁の両端部の間隔が変化するとともに、各複合梁の中心部がそれぞれ環状中心を通る軸に対して直交する面内で振動する振動モードを持っている。このことにより、環状中心を通る軸、及び、それに平行な軸周りの角速度を検出することができる。
この面内振動する振動モードを利用する場合、環状中心を通る軸方向の剛性についての制約が殆ど無いので、駆動周波数を設定する際、厚み寸法を任意に設定することができ、振動子の薄型化を図るができるとともに、設計自由度を高めることができる。さらに、振動子の厚みがばらついたとしても、周波数変化がほとんどなく、振動子の厚みばらつきによる感度のばらつきはほとんどない。したがって、このような平面内での振動モードを持つ振動子を振動ジャイロに用いれば、角速度の検出感度を高められる。
The above-described vibrator is preferably provided with a rectangular annular portion. The rectangular annular part has a structure in which the composite beams are rigidly brought into contact with each other at the ends so that the first beam part is located on the outer peripheral side and the second beam part is located on the inner peripheral side. Each composite beam is configured such that the first beam portion and the second beam portion are positioned on a plane orthogonal to the axis passing through the annular center of the rectangular annular portion. This configuration has a vibration mode in which the distance between both end portions of each composite beam changes and the center portion of each composite beam vibrates in a plane perpendicular to the axis passing through the annular center. Thereby, an angular velocity about an axis passing through the annular center and an axis parallel to the axis can be detected.
When using this vibration mode that vibrates in the plane, there is almost no restriction on the rigidity in the axial direction passing through the center of the ring. Therefore, when setting the drive frequency, the thickness dimension can be set arbitrarily, and the vibrator is thin. The degree of freedom in design can be increased. Furthermore, even if the thickness of the vibrator varies, there is almost no frequency change, and there is almost no variation in sensitivity due to the thickness variation of the vibrator. Therefore, if a vibrator having a vibration mode in such a plane is used for a vibration gyro, the angular velocity detection sensitivity can be increased.
上述の振動子は、連結部を備えると好適である。連結部は、連結梁部と中央連結部とにより構成されている。連結梁部は、一方の端部が第２の梁部に剛接され、他方の端部が中央連結部に剛接されている。中央連結部は、振動子の中心に設けられている。この構成では、連結梁部の一方の端部が第２の梁部に剛接されていることによって、互いに対向する複合梁に生じる振動が反対称になる。すると、連結梁部が撓みながら中央連結部が矩形環状部の対角線上を往復するように振動する。このような振動モードでは、各連結梁部それぞれの中央の部分がノード点となる。したがって、この連結部を持つ振動子を振動ジャイロに用いれば、ノード点である、連結部の連結梁部それぞれの中央の部分で振動子を支持することにより、振動子を支持する部位を介した振動の漏れや、外乱により不要振動が励振されることを防ぐことができ、角速度の検出値のドリフトを抑えて検出感度を高められる。 The above-described vibrator is preferably provided with a connecting portion. The connection part is comprised by the connection beam part and the center connection part. One end portion of the connecting beam portion is rigidly connected to the second beam portion, and the other end portion is rigidly connected to the central connecting portion. The central connecting portion is provided at the center of the vibrator. In this configuration, since one end of the connecting beam portion is rigidly connected to the second beam portion, vibrations generated in the composite beams facing each other become antisymmetric. Then, while the connecting beam portion is bent, the center connecting portion vibrates so as to reciprocate on the diagonal line of the rectangular annular portion. In such a vibration mode, the central portion of each connecting beam portion is a node point. Therefore, if a vibrator having this connecting portion is used for a vibrating gyroscope, the vibrator is supported by a central portion of each of the connecting beam portions of the connecting portion, which is a node point, via a portion that supports the vibrator. Unnecessary vibrations can be prevented from being excited due to vibration leakage or disturbance, and the detection sensitivity can be increased by suppressing the drift of the detected value of angular velocity.
上述の振動子は、錘部を備えると好適である。錘部は、中央連結部に剛接されている。この構成では、錘部によって振動子の重量が増加する。したがって、この振動子を振動ジャイロに用いれば、作用するコリオリの力を増加させて、角速度の検出感度を高められる。 The above-described vibrator is preferably provided with a weight portion. The weight part is rigidly connected to the central connecting part. In this configuration, the weight of the vibrator is increased by the weight portion. Therefore, if this vibrator is used in a vibrating gyroscope, the acting Coriolis force can be increased to increase the angular velocity detection sensitivity.
この発明に係る振動ジャイロは、上述の振動子と、振動子を駆動して第１の面内振動モードの振動を振動子に励起させる駆動部と、第１の面内振動モードで振動する振動子に、振動方向に直交する回転軸回りの角速度によって振動子に作用するコリオリの力により励起する第２の面内振動モードの振動を検出する検出部と、を備えると好適である。この構成では、検出感度の高い振動ジャイロとなる。 The vibration gyro according to the present invention includes the vibrator described above, a drive unit that drives the vibrator to excite the vibration in the first in-plane vibration mode, and vibration that vibrates in the first in-plane vibration mode. It is preferable that the child is provided with a detection unit that detects the vibration in the second in-plane vibration mode that is excited by the Coriolis force acting on the vibrator by the angular velocity around the rotation axis orthogonal to the vibration direction. With this configuration, the vibration gyro has high detection sensitivity.
上述の振動ジャイロにおいて、振動子は、シリコン基板からなり、駆動部および検出部は、圧電膜と、グランド電極と、駆動電極または検出電極とを備える構成であると好適である。この構成では、振動子が駆動部や検出部から独立した構成となる。したがって、振動子の形状を、理想的な振動モードとなる形状に設定することができ、角速度の検出感度を高められる。また、振動子は、シリコン基板に対する半導体微細加工により高い形状精度を実現できる。また、圧電膜や電極は、薄膜微細加工プロセスで形成できる。 In the vibration gyro described above, it is preferable that the vibrator is made of a silicon substrate, and the drive unit and the detection unit include a piezoelectric film, a ground electrode, and a drive electrode or a detection electrode. In this configuration, the vibrator is independent from the drive unit and the detection unit. Therefore, the shape of the vibrator can be set to a shape that is an ideal vibration mode, and the angular velocity detection sensitivity can be increased. In addition, the vibrator can realize high shape accuracy by semiconductor fine processing on a silicon substrate. The piezoelectric film and the electrode can be formed by a thin film microfabrication process.
上述の振動ジャイロにおいて、圧電膜と、グランド電極と、駆動電極と、検出電極とは、振動子の一方の面のみに形成されていると好適である。この構成では、半導体微細加工プロセスと薄膜微細加工プロセスとを順に実施することで実現でき、製造工程を簡易化できる。 In the vibration gyro described above, it is preferable that the piezoelectric film, the ground electrode, the drive electrode, and the detection electrode are formed only on one surface of the vibrator. This configuration can be realized by sequentially performing a semiconductor microfabrication process and a thin film microfabrication process, thereby simplifying the manufacturing process.
上述の振動ジャイロにおいて、駆動部および検出部は、浮き電極を備える構成であると好適である。駆動電極または検出電極は、圧電膜を介して浮き電極に対向するように形成される。この構成では、圧電膜に垂直に作用する電界を大きくすることにより、圧電変形量を大きくして、角速度の検出感度を高めることができる。また、浮き電極は配線する必要が無いので、配線のためにシリコン基板や圧電膜を加工する必要が無く、製造工程を簡易化できる。 In the above-described vibration gyro, it is preferable that the drive unit and the detection unit have a configuration including a floating electrode. The drive electrode or the detection electrode is formed to face the floating electrode through the piezoelectric film. In this configuration, by increasing the electric field acting perpendicularly to the piezoelectric film, it is possible to increase the amount of piezoelectric deformation and increase the angular velocity detection sensitivity. In addition, since there is no need to wire the floating electrode, it is not necessary to process a silicon substrate or a piezoelectric film for wiring, and the manufacturing process can be simplified.
上述の振動ジャイロにおいて、駆動電極は、圧電膜を介してグランド電極に対向するように形成されている第１の駆動電極と、圧電膜を介してグランド電極に対向するように形成されており、第１の駆動電極と隣接して形成されている第２の駆動電極とを有すると好適である。この構成では、極性の異なる駆動電圧を各駆動電極に印加することにより、単一の極性の駆動電圧のみを印加する場合に比較して、圧電膜に作用する電界強度を倍にできる。また、電圧極性を変更することにより電界の向きを変更できるので、圧電膜の分極方向を逆にした場合と同様の変形を容易に実現できる。 In the vibration gyro described above, the drive electrode is formed to face the ground electrode via the piezoelectric film and the first drive electrode formed to face the ground electrode via the piezoelectric film, It is preferable to have the second drive electrode formed adjacent to the first drive electrode. In this configuration, by applying a driving voltage having a different polarity to each driving electrode, the electric field strength acting on the piezoelectric film can be doubled as compared with a case where only a driving voltage having a single polarity is applied. In addition, since the direction of the electric field can be changed by changing the voltage polarity, the same deformation as when the polarization direction of the piezoelectric film is reversed can be easily realized.
この発明の振動子によれば、互いに並行する第１の梁部と第２の梁部とを両端で剛接した複合梁を備えていることにより、断面積が等しい単純梁に比較して剛性を低くでき、単純梁の振動モードよりも、共振周波数が低い振動モードを実現することができる。 According to the vibrator of the present invention, by providing the composite beam in which the first beam portion and the second beam portion which are parallel to each other are in rigid contact at both ends, the rigidity is higher than that of a simple beam having the same cross-sectional area. And a vibration mode having a resonance frequency lower than that of a simple beam can be realized.
また、この発明の振動ジャイロによれば、高い角速度の検出感度を実現できる。 Further, according to the vibration gyro of the present invention, high angular velocity detection sensitivity can be realized.
以下の説明では、振動ジャイロの回転軸を直交座標系のＺ軸とし、平面形状が矩形の振動子の各辺に沿う方向を、それぞれ直交座標系のＸ軸方向、直交座標系のＹ軸方向とする。 In the following description, the rotational axis of the vibrating gyroscope is the Z axis of the orthogonal coordinate system, and the directions along the sides of the transducer having a rectangular planar shape are the X axis direction of the orthogonal coordinate system and the Y axis direction of the orthogonal coordinate system, respectively. And
《第１の実施形態》
図２は、本発明の第１の実施形態に係る振動子１の構成を示す斜視図である。
<< First Embodiment >>
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of the vibrator 1 according to the first embodiment of the present invention.
振動子１は、平面形状が正方形のシリコン基板からなり、両主面間を貫通するスリット５Ａ〜５Ｄ，９Ａ〜９Ｄが形成されている。振動子１は、スリット５Ａ〜５Ｄ，９Ａ〜９Ｄによって区画された、矩形環状部２と、連結部７と、錘部８Ａ〜８Ｄとを備えている。振動子１は半導体微細加工技術を利用して成形することにより、振動子１のＺ軸を対称軸とした形状対称性を極めて高いものにしている。 The vibrator 1 is made of a silicon substrate having a square planar shape, and has slits 5A to 5D and 9A to 9D penetrating between both main surfaces. The vibrator 1 includes a rectangular annular portion 2, a connecting portion 7, and weight portions 8A to 8D, which are partitioned by slits 5A to 5D and 9A to 9D. The vibrator 1 is formed by using a semiconductor microfabrication technique, so that the shape symmetry with respect to the Z axis of the vibrator 1 is made extremely high.
矩形環状部２は、平面形状が矩形環状の部位であり、スリット５Ａ〜５Ｄ，９Ａ〜９Ｄによって区画された、外周側梁部３Ａ〜３Ｄと、内周側梁部４Ａ〜４Ｄと、剛接部６Ａ〜６Ｄとを備えている。外周側梁部３Ａ〜３Ｄは、単純梁状の部位であり、振動子１の各辺の外周側に設けられている。内周側梁部４Ａ〜４Ｄは、単純梁状の部位であり、振動子１の各辺の内周側に設けられている。剛接部６Ａ〜６Ｄは、平面形状が正方形状の部位であり、振動子１の各角部に設けられている。外周側梁部３Ａ〜３Ｄと内周側梁部４Ａ〜４Ｄとは、両端が剛接部６Ａ〜６Ｄに剛接され、複合梁部２Ａ〜２Ｄを構成している。外周側梁部３Ａ〜３Ｄと内周側梁部４Ａ〜４Ｄとは、本実施形態の第１の梁部と第２の梁部とに相当する。 The rectangular annular portion 2 is a portion having a rectangular annular shape in plan view, and is rigidly connected to the outer peripheral side beam portions 3A to 3D and the inner peripheral side beam portions 4A to 4D defined by the slits 5A to 5D and 9A to 9D. Part 6A-6D. The outer peripheral side beam portions 3 </ b> A to 3 </ b> D are simple beam-shaped portions and are provided on the outer peripheral side of each side of the vibrator 1. The inner peripheral side beam portions 4 </ b> A to 4 </ b> D are simple beam-shaped portions, and are provided on the inner peripheral side of each side of the vibrator 1. The rigid contact portions 6 </ b> A to 6 </ b> D are portions having a square planar shape, and are provided at each corner of the vibrator 1. The outer peripheral side beam portions 3A to 3D and the inner peripheral side beam portions 4A to 4D are rigidly connected to the rigid contact portions 6A to 6D to form composite beam portions 2A to 2D. The outer peripheral side beam portions 3A to 3D and the inner peripheral side beam portions 4A to 4D correspond to the first beam portion and the second beam portion of the present embodiment.
連結部７は、平面形状が十字状の部位であり、矩形環状部２によって囲まれる領域に設けられている。連結部７は、スリット９Ａ〜９Ｄによって区画された、連結梁部７Ａ〜７Ｄと中央連結部７Ｅとを備えている。連結梁部７Ａ〜７Ｄは、単純梁状の部位である。連結梁部７Ａ〜７Ｄは、一方の端部が矩形環状部２の各辺中央で内周側梁部４Ａ〜４Ｄに剛接されていて、他方の端部が中央連結部７Ｅに剛接されている。中央連結部７Ｅは、平面形状が正方形状の部位であり、振動子１の中心に設けられている。 The connecting portion 7 is a portion having a cross shape in plan view, and is provided in a region surrounded by the rectangular annular portion 2. The connecting portion 7 includes connecting beam portions 7A to 7D and a central connecting portion 7E that are partitioned by slits 9A to 9D. The connecting beam portions 7A to 7D are simple beam portions. The connecting beam portions 7A to 7D have one end rigidly connected to the inner circumferential side beam portions 4A to 4D at the center of each side of the rectangular annular portion 2, and the other end rigidly connected to the central connecting portion 7E. ing. The center connecting portion 7E is a portion having a square shape in plan view, and is provided at the center of the vibrator 1.
錘部８Ａ〜８Ｄは、平面形状が正方形状の部位であり、スリット９Ａ〜９Ｄによって囲まれる領域に設けられている。錘部８Ａ〜８Ｄは、振動子１の中心側に位置する角部で中央連結部７Ｅに剛接されている。これらの錘部８Ａ〜８Ｄは、振動子１を用いて振動ジャイロ１１を構成した際に、振動子１の質量を増加させて、大きなコリオリの力が作用するように設けられている。 The weight portions 8A to 8D are portions having a square planar shape, and are provided in regions surrounded by the slits 9A to 9D. The weight portions 8A to 8D are rigidly connected to the central connecting portion 7E at corner portions located on the center side of the vibrator 1. These weight portions 8A to 8D are provided so that when the vibrating gyroscope 11 is configured using the vibrator 1, the mass of the vibrator 1 is increased and a large Coriolis force acts.
図３（Ａ）は、振動子１の第１の面内振動モードについて説明する図である。振動子１の第１の面内振動モードは、Ｘ軸から+４５°傾斜した方向を対称軸として、振動子１が変形する振動モードである。振動子１の第１の面内振動モードでは、外周側梁部３Ａ〜３Ｄと内周側梁部４Ａ〜４Ｄとの中央の部分が振動の腹（アンチノード点）となり、中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄは、Ｘ−Ｙ面内でＸ軸に対して+４５°傾斜した方向（剛接部６Ａと剛接部６Ｃとを結ぶ直線方向）に往復するように振動する。具体的には、以下のように振動する。中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄが剛接部６Ｃ側に動くとき、複合梁部２Ａ，２Ｂにおけるスリット５Ａ，５Ｂの間隔が大きくなると共に、複合梁部２Ｃ，２Ｄにおけるスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が小さくなる。このとき、連結梁部７Ａ，７Ｂは錘部８Ａ側に撓み、連結梁部７Ｃは錘部８Ｂ側に撓み、連結梁部７Ｄは錘部８Ｄ側に撓むため、連結梁部７Ａと連結梁部７Ｂとは互いに近づき、連結梁部７Ｃと連結梁部７Ｄとは互いに離れる。中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄが剛接部６Ａ側に動くとき、複合梁部２Ａ，２Ｂにおけるスリット５Ａ，５Ｂの間隔が小さくなると共に、複合梁部２Ｃ，２Ｄにおけるスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が大きくなる。このとき、連結梁部７Ａは錘部８Ｄ側に撓み、連結梁部７Ｂは錘部８Ｂ側に撓み、連結梁部７Ｃ，７Ｄは錘部８Ｃ側に撓むため、連結梁部７Ａと連結梁部７Ｂとは互いに離れ、連結梁部７Ｃと連結梁部７Ｄとは互いに近づく。すなわち、矩形環状部２は、複合梁部２Ａ，２Ｂでスリット５Ａ，５Ｂの間隔が拡大する際に、複合梁部２Ｃ，２Ｄでスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が縮小し、逆に、複合梁部２Ａ，２Ｂでスリット５Ａ，５Ｂの間隔が縮小する際に、複合梁部２Ｃ，２Ｄでスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が拡大するように振動する。連結部７は、連結梁部７Ａ，７Ｂと連結梁部７Ｃ，７Ｄとがそれぞれ逆向きに撓むように振動する。 FIG. 3A is a diagram for describing the first in-plane vibration mode of the vibrator 1. The first in-plane vibration mode of the vibrator 1 is a vibration mode in which the vibrator 1 is deformed with a direction inclined by + 45 ° from the X axis as an axis of symmetry. In the first in-plane vibration mode of the vibrator 1, the central portion of the outer peripheral side beam portions 3A to 3D and the inner peripheral side beam portions 4A to 4D becomes a vibration antinode (antinode point), and the central connecting portion 7E and The weight portions 8A to 8D vibrate so as to reciprocate in a direction inclined by + 45 ° with respect to the X axis in the XY plane (a linear direction connecting the rigid contact portion 6A and the rigid contact portion 6C). Specifically, it vibrates as follows. When the central connecting portion 7E and the weight portions 8A to 8D move toward the rigid contact portion 6C, the interval between the slits 5A and 5B in the composite beam portions 2A and 2B is increased, and the slits 5C and 5D in the composite beam portions 2C and 2D are increased. The interval is reduced. At this time, the connecting beam portions 7A and 7B are bent toward the weight portion 8A, the connecting beam portion 7C is bent toward the weight portion 8B, and the connecting beam portion 7D is bent toward the weight portion 8D. The portion 7B approaches each other, and the connecting beam portion 7C and the connecting beam portion 7D are separated from each other. When the central connecting portion 7E and the weight portions 8A to 8D move toward the rigid contact portion 6A, the distance between the slits 5A and 5B in the composite beam portions 2A and 2B is reduced, and the slits 5C and 5D in the composite beam portions 2C and 2D are reduced. The interval becomes larger. At this time, the connecting beam portion 7A is bent toward the weight portion 8D, the connecting beam portion 7B is bent toward the weight portion 8B, and the connecting beam portions 7C and 7D are bent toward the weight portion 8C. The part 7B is separated from each other, and the connecting beam part 7C and the connecting beam part 7D are close to each other. That is, when the interval between the slits 5A and 5B is increased in the composite beam portions 2A and 2B, the interval between the slits 5C and 5D is reduced in the composite beam portions 2C and 2D. When the interval between the slits 5A and 5B is reduced in 2A and 2B, the composite beam portions 2C and 2D vibrate so that the interval between the slits 5C and 5D is increased. The connecting portion 7 vibrates so that the connecting beam portions 7A and 7B and the connecting beam portions 7C and 7D bend in opposite directions.
図３（Ｂ）は、振動子１の第２の面内振動モードについて説明する図である。振動子１の第２の面内振動モードは、Ｘ軸から−４５°傾斜した方向を対称軸として、振動子１が変形する振動モードである。すなわち、振動子１の第２の面内振動モードは、第１の振動モードを９０°回転させた方向の振動モードである。振動子１の第２の面内振動モードでは、外周側梁部３Ａ〜３Ｄと内周側梁部４Ａ〜４Ｄとの中央の部分が振動の腹（アンチノード点）となり、中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄは、Ｘ−Ｙ面内でＸ軸に対して−４５°傾斜した方向（剛接部６Ｂと剛接部６Ｄとを結ぶ直線方向）に往復するように振動する。具体的には、以下のように振動する。中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄが剛接部６Ｂ側に動くとき、複合梁部２Ａ，２Ｄにおけるスリット５Ａ，５Ｄの間隔が大きくなると共に、複合梁部２Ｂ，２Ｃにおけるスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が小さくなる。このとき、連結梁部７Ａ，７Ｄは錘部８Ｄ側に撓み、連結梁部７Ｂは錘部８Ａ側に撓み、連結梁部７Ｃは錘部８Ｃ側に撓むため、連結梁部７Ａと連結梁部７Ｄとは互いに近づき、連結梁部７Ｂと連結梁部７Ｃとは互いに離れる。中央連結部７Ｅおよび錘部８Ａ〜８Ｄが剛接部６Ｄ側に動くとき、複合梁部２Ａ，２Ｄにおけるスリット５Ａ，５Ｄの間隔が小さくなると共に、複合梁部２Ｂ，２Ｃにおけるスリット５Ｃ，５Ｄの間隔が大きくなる。このとき、連結梁部７Ｂ，７Ｃは錘部８Ｂ側に撓み、連結梁部７Ａは錘部８Ａ側に撓み、連結梁部７Ｄは錘部８Ｃ側に撓むため、連結梁部７Ａと連結梁部７Ｄとは互いに離れ、連結梁部７Ｂと連結梁部７Ｃとは互いに近づく。すなわち、矩形環状部２は、複合梁部２Ｂ，２Ｃでスリット５Ｂ，５Ｃの間隔が拡大する際に、複合梁部２Ｄ，２Ａでスリット５Ａ，５Ｄの間隔が縮小し、逆に、複合梁部２Ｂ，２Ｃでスリット５Ｂ，５Ｃの間隔が縮小する際に、複合梁部２Ｄ，２Ａでスリット５Ａ，５Ｄの間隔が拡大するように振動する。連結部７は、連結梁部７Ｂ，７Ｃと連結梁部７Ｄ，７Ａとがそれぞれ逆向きに撓むように振動する。 FIG. 3B is a diagram illustrating the second in-plane vibration mode of the vibrator 1. The second in-plane vibration mode of the vibrator 1 is a vibration mode in which the vibrator 1 is deformed with the direction inclined by −45 ° from the X axis as the axis of symmetry. That is, the second in-plane vibration mode of the vibrator 1 is a vibration mode in a direction obtained by rotating the first vibration mode by 90 °. In the second in-plane vibration mode of the vibrator 1, the central portion of the outer peripheral side beam portions 3A to 3D and the inner peripheral side beam portions 4A to 4D becomes a vibration antinode (antinode point), and the central connecting portion 7E and The weight portions 8A to 8D vibrate so as to reciprocate in a direction inclined by −45 ° with respect to the X axis in the XY plane (a linear direction connecting the rigid contact portion 6B and the rigid contact portion 6D). Specifically, it vibrates as follows. When the central connecting portion 7E and the weight portions 8A to 8D move toward the rigid contact portion 6B, the interval between the slits 5A and 5D in the composite beam portions 2A and 2D is increased, and the slits 5C and 5D in the composite beam portions 2B and 2C are increased. The interval is reduced. At this time, the connecting beam portions 7A and 7D are bent toward the weight portion 8D, the connecting beam portion 7B is bent toward the weight portion 8A, and the connecting beam portion 7C is bent toward the weight portion 8C. The part 7D approaches each other, and the connecting beam part 7B and the connecting beam part 7C are separated from each other. When the central connecting portion 7E and the weight portions 8A to 8D move toward the rigid contact portion 6D, the distance between the slits 5A and 5D in the composite beam portions 2A and 2D is reduced, and the slits 5C and 5D in the composite beam portions 2B and 2C are reduced. The interval becomes larger. At this time, the connecting beam portions 7B and 7C are bent toward the weight portion 8B, the connecting beam portion 7A is bent toward the weight portion 8A side, and the connecting beam portion 7D is bent toward the weight portion 8C side. The portion 7D is separated from each other, and the connecting beam portion 7B and the connecting beam portion 7C are close to each other. That is, when the interval between the slits 5B and 5C is increased in the composite beam portions 2B and 2C, the interval between the slits 5A and 5D is reduced in the composite beam portions 2D and 2A. When the interval between the slits 5B and 5C is reduced by 2B and 2C, the composite beam portions 2D and 2A vibrate so that the interval between the slits 5A and 5D is increased. The connecting portion 7 vibrates so that the connecting beam portions 7B and 7C and the connecting beam portions 7D and 7A bend in opposite directions.
錘部８Ａ〜８Ｄそれぞれは、第１の面内振動モードでの振動方向と第２の面内振動モードでの振動方向とが９０°ずれている。したがって、第１の面内振動モードと第２の面内振動モードとの共振周波数を略一致させることで、これらの振動モードを振動ジャイロにおける駆動振動モードと検出振動モードとして利用することができる。 In each of the weight portions 8A to 8D, the vibration direction in the first in-plane vibration mode and the vibration direction in the second in-plane vibration mode are shifted by 90 °. Therefore, by substantially matching the resonance frequencies of the first in-plane vibration mode and the second in-plane vibration mode, these vibration modes can be used as the drive vibration mode and the detection vibration mode in the vibration gyro.
また、これらの振動モードでは、矩形環状部２や錘部８Ａ〜８Ｄにはノード点はなく、連結部７の連結梁部７Ａ〜７Ｄそれぞれの中央の部分がノード点となる。ノード点の位置は、第１の面内振動モードと第２の面内振動モードとで一致する。したがって、このノード点である、連結部７の連結梁部７Ａ〜７Ｄそれぞれの中央の部分で振動子１を支持すれば、振動子を支持する部位を介した振動の漏れや、外乱による不要振動の励起を防ぐことができる。 In these vibration modes, the rectangular annular portion 2 and the weight portions 8A to 8D have no node points, and the central portions of the connecting beam portions 7A to 7D of the connecting portion 7 serve as node points. The position of the node point is the same in the first in-plane vibration mode and the second in-plane vibration mode. Therefore, if the vibrator 1 is supported by the central portion of each of the connecting beam portions 7A to 7D of the connecting portion 7 which is this node point, vibration leakage through a portion that supports the vibrator and unnecessary vibration due to disturbance. Can be prevented from being excited.
また、複合梁部２Ａ〜２Ｄは、スリット５Ａ〜５Ｄが設けられているため、断面２次モーメントが小さく、剛性が低いものになる。したがって、複合梁部２Ａ〜２Ｄのスリット５Ａ〜５Ｄの間隔が拡縮する振動は、スリット５Ａ〜５Ｄを設けない単純梁よりも共振周波数が低いものになる。このことにより、複合梁部２Ａ〜２Ｄを有する振動子１でも、共振周波数が低くなる。 Further, since the composite beam portions 2A to 2D are provided with the slits 5A to 5D, the secondary moment of section is small and the rigidity is low. Therefore, the vibration in which the interval between the slits 5A to 5D of the composite beam portions 2A to 2D expands or contracts has a resonance frequency lower than that of a simple beam not provided with the slits 5A to 5D. As a result, even in the vibrator 1 having the composite beam portions 2A to 2D, the resonance frequency is lowered.
次に、第１の実施形態に係る振動子１を用いた振動ジャイロ１１の構成例に付いて説明する。図４（Ａ）は、振動ジャイロ１１の平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中にＢ−Ｂ’で示す位置での振動ジャイロ１１の部分拡大断面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）中にＣ−Ｃ’で示す位置での振動ジャイロ１１の部分拡大断面図である。 Next, a configuration example of the vibration gyro 11 using the vibrator 1 according to the first embodiment will be described. FIG. 4A is a plan view of the vibrating gyroscope 11. FIG. 4B is a partially enlarged cross-sectional view of the vibrating gyroscope 11 at a position indicated by B-B ′ in FIG. FIG. 4C is a partially enlarged cross-sectional view of the vibrating gyroscope 11 at a position indicated by C-C ′ in FIG.
振動ジャイロ１１は、振動子１と、浮き電極１２と、圧電膜１３と、グランド電極１４と、駆動電極１５と、検出電極１６Ａ，１６Ｂと、基板１７とを備えている。 The vibrating gyroscope 11 includes a vibrator 1, a floating electrode 12, a piezoelectric film 13, a ground electrode 14, a driving electrode 15, detection electrodes 16 </ b> A and 16 </ b> B, and a substrate 17.
浮き電極１２は、基板１７の上面に形成されている。圧電膜１３は、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウムナトリウム、酸化亜鉛などのいずれかの圧電材料からなる薄膜であり、浮き電極１２と基板１７とを覆うように形成されている。グランド電極１４と、駆動電極１５と、検出電極１６Ａ，１６Ｂとは、圧電膜１３の上面に形成されている。基板１７は、シリコン基板からなる。 The floating electrode 12 is formed on the upper surface of the substrate 17. The piezoelectric film 13 is a thin film made of any piezoelectric material such as aluminum nitride, lead zirconate titanate, potassium sodium niobate, or zinc oxide, and is formed so as to cover the floating electrode 12 and the substrate 17. The ground electrode 14, the drive electrode 15, and the detection electrodes 16 </ b> A and 16 </ b> B are formed on the upper surface of the piezoelectric film 13. The substrate 17 is made of a silicon substrate.
グランド電極１４は、剛接部６Ｃに設けられた外部接続用のパッドから、外周側梁部３Ａ〜３Ｄと、内周側梁部４Ａ〜４Ｄと、連結梁部７Ａ〜７Ｄと、中央連結部７Ｅとに、線路状に延設されている。駆動電極１５は、剛接部６Ａに設けられた外部接続用のパッドから、外周側梁部３Ａ，３Ｂと、内周側梁部４Ａ，４Ｂと、連結梁部７Ａ〜７Ｄと、中央連結部７Ｅとに、線路状に延設されている。検出電極１６Ａは、剛接部６Ｂに設けられた外部接続用のパッドから、外周側梁部３Ｃと、内周側梁部４Ｃとに、線路状に延設されている。検出電極１６Ｂは、剛接部６Ｄに設けられた外部接続用のパッドから、外周側梁部３Ｄと、内周側梁部４Ｄとに、線路状に延設されている。 The ground electrode 14 includes, from an external connection pad provided on the rigid contact portion 6C, outer peripheral side beam portions 3A to 3D, inner peripheral side beam portions 4A to 4D, connecting beam portions 7A to 7D, and a central connecting portion. 7E is extended in a line shape. The drive electrode 15 includes, from an external connection pad provided on the rigid contact portion 6A, outer peripheral side beam portions 3A and 3B, inner peripheral side beam portions 4A and 4B, connection beam portions 7A to 7D, and a central connection portion. 7E is extended in a line shape. The detection electrode 16A extends in a line shape from the external connection pad provided on the rigid contact portion 6B to the outer peripheral side beam portion 3C and the inner peripheral side beam portion 4C. The detection electrode 16B extends in a line shape from an external connection pad provided at the rigid contact portion 6D to the outer peripheral side beam portion 3D and the inner peripheral side beam portion 4D.
駆動電極１５は、浮き電極１２と、圧電膜１３と、グランド電極１４とともに、駆動部として機能する電気機械変換素子を構成している。検出電極１６Ａ，１６Ｂは、浮き電極１２と、圧電膜１３と、グランド電極１４とともに、検出部として機能する電気機械変換素子を構成している。 The drive electrode 15 together with the floating electrode 12, the piezoelectric film 13, and the ground electrode 14 constitutes an electromechanical conversion element that functions as a drive unit. The detection electrodes 16A and 16B, together with the floating electrode 12, the piezoelectric film 13, and the ground electrode 14, constitute an electromechanical conversion element that functions as a detection unit.
駆動電極１５は、外周側梁部３Ｂと、内周側梁部４Ｂと、連結梁部７Ａ，７Ｃと、中央連結部７ＥとにおいてＸ軸に沿うように設けられており、外周側梁部３Ａと、内周側梁部４Ａと、連結梁部７Ｂ，７Ｄと、中央連結部７ＥとにおいてＹ軸に沿うように設けられている。すなわち、駆動電極１５は、Ｘ軸に対して+４５°傾斜した方向（剛接部６Ａと剛接部６Ｃとを結ぶ直線方向）を対称軸として、設けられている。このため、駆動電極１５に交番電圧を印加すると、振動子１は図３（Ａ）で示した第１の面内振動モードで振動する。すなわち、振動ジャイロ１１は、振動子１の第１の面内振動モードを駆動振動モードとして用いる。 The drive electrode 15 is provided along the X axis in the outer peripheral side beam portion 3B, the inner peripheral side beam portion 4B, the connecting beam portions 7A and 7C, and the central connecting portion 7E, and the outer peripheral side beam portion 3A. In addition, the inner circumferential side beam portion 4A, the coupling beam portions 7B and 7D, and the central coupling portion 7E are provided along the Y axis. That is, the drive electrode 15 is provided with a direction inclined by + 45 ° with respect to the X axis (a linear direction connecting the rigid contact portion 6A and the rigid contact portion 6C) as an axis of symmetry. For this reason, when an alternating voltage is applied to the drive electrode 15, the vibrator 1 vibrates in the first in-plane vibration mode shown in FIG. That is, the vibration gyro 11 uses the first in-plane vibration mode of the vibrator 1 as the drive vibration mode.
また、検出電極１６Ａは、外周側梁部３Ｃと、内周側梁部４ＣとにおいてＹ軸に沿うように設けられている。検出電極１６Ｂは、外周側梁部３Ｄと、内周側梁部４ＤとにおいてＸ軸に沿うように設けられている。すなわち、検出電極１６Ａ，１６Ｂは、Ｘ軸に対して+４５°傾斜した方向（剛接部６Ａと剛接部６Ｃとを結ぶ直線方向）を対称軸として、設けられている。このため、振動子１が駆動振動モードである図３（Ａ）で示した第１の面内振動モードで振動すると、複合梁部２Ｃでスリット５Ｃの間隔が拡大する際に、複合梁部２Ｄでスリット５Ｄの間隔も拡大し、逆に、複合梁部２Ｃでスリット５Ｃの間隔が縮小する際に、複合梁部２Ｄでスリット５Ｄの間隔も縮小するように振動する。すなわち、複合梁部２Ｃ，２Ｄは対称に振動し、検出電極１６Ａ，１６Ｂに同位相の検出電圧が励起する。検出電極１６Ａ，１６Ｂそれぞれで励起された検出電圧を後段の回路で差動増幅すると、同位相の検出電圧は互いに打ち消し合う。したがって、駆動振動モードの振動を検出しないように検出回路を構成することができる。 In addition, the detection electrode 16A is provided along the Y axis in the outer peripheral side beam portion 3C and the inner peripheral side beam portion 4C. The detection electrode 16B is provided along the X axis in the outer peripheral side beam portion 3D and the inner peripheral side beam portion 4D. That is, the detection electrodes 16A and 16B are provided with a direction inclined by + 45 ° with respect to the X axis (a linear direction connecting the rigid contact portion 6A and the rigid contact portion 6C) as an axis of symmetry. Therefore, when the vibrator 1 vibrates in the first in-plane vibration mode shown in FIG. 3A that is the drive vibration mode, the composite beam portion 2D is expanded when the interval between the slits 5C is increased in the composite beam portion 2C. As a result, the interval between the slits 5D is also increased, and conversely, when the interval between the slits 5C is reduced in the composite beam portion 2C, vibration is performed so that the interval between the slits 5D is also reduced in the composite beam portion 2D. That is, the composite beam portions 2C and 2D vibrate symmetrically, and a detection voltage having the same phase is excited in the detection electrodes 16A and 16B. When the detection voltage excited by each of the detection electrodes 16A and 16B is differentially amplified by a subsequent circuit, the detection voltages having the same phase cancel each other. Therefore, the detection circuit can be configured not to detect the vibration in the drive vibration mode.
振動ジャイロ１１において、振動子１に駆動振動モードの振動が励起されている状態で、振動子１に回転軸であるＺ軸回りの角速度が作用すると、回転軸および振動子１の駆動振動方向に対して直交する方向にコリオリの力が作用する。このコリオリの力により、振動子１は、図３（Ｂ）で示した第２の面内振動モードで振動する。すなわち、振動ジャイロ１１は、振動子１の第２の面内振動モードを検出振動モードとして用いる。検出振動モードの振動は、角速度に応じた振幅で励起される。すると、複合梁部２Ｃでスリット５Ｃの間隔が拡大する際に、複合梁部２Ｄでスリット５Ｄの間隔が縮小し、逆に、合梁部２Ｃでスリット５Ｃの間隔が縮小する際に、複合梁部２Ｄでスリット５Ｄの間隔が拡大するように振動する。すなわち、複合梁部２Ｃ，２Ｄは反対称に振動し、検出電極１６Ａ，１６Ｂに逆位相の検出電圧が励起する。検出電極１６Ａ，１６Ｂそれぞれで励起された検出電圧を後段の回路で差動増幅すると、逆位相の検出電圧は加算される。したがって、検出振動モードによる振動の振幅に応じた出力を得るように検出回路を構成することができる。 In the vibration gyro 11, when an angular velocity around the Z axis, which is the rotation axis, acts on the vibrator 1 in a state where the vibrator 1 is excited in the driving vibration mode, the vibrator 1 moves in the driving vibration direction of the rotation axis and the vibrator 1. On the other hand, Coriolis force acts in a direction perpendicular to the direction. Due to the Coriolis force, the vibrator 1 vibrates in the second in-plane vibration mode shown in FIG. That is, the vibration gyro 11 uses the second in-plane vibration mode of the vibrator 1 as the detection vibration mode. The vibration in the detection vibration mode is excited with an amplitude corresponding to the angular velocity. Then, when the interval between the slits 5C is increased in the composite beam portion 2C, the interval between the slits 5D is reduced in the composite beam portion 2D, and conversely, when the interval between the slits 5C is reduced in the combined beam portion 2C. The part 2D vibrates so that the interval between the slits 5D is enlarged. That is, the composite beam portions 2C and 2D vibrate antisymmetrically, and a detection voltage with an opposite phase is excited in the detection electrodes 16A and 16B. When the detection voltage excited by each of the detection electrodes 16A and 16B is differentially amplified by a circuit in the subsequent stage, the detection voltages having opposite phases are added. Therefore, the detection circuit can be configured to obtain an output corresponding to the amplitude of vibration in the detection vibration mode.
以上のように本実施形態の振動ジャイロ１１は構成される。スリット５Ａ〜５Ｄを設けた複合梁部２Ａ〜２Ｄにより矩形環状部２を構成しているため、矩形環状部２にスリット５Ａ〜５Ｄを設けない場合よりも駆動振動モードと検出振動モードとの共振周波数が低くなり、振動振幅を大きいものにすることができる。したがって、振動子１に作用するコリオリの力が大きなものになるとともに検出効率が向上し、コリオリの力と検出効率との積で表される検出感度を高いものにできる。 As described above, the vibration gyro 11 of the present embodiment is configured. Since the rectangular annular portion 2 is constituted by the composite beam portions 2A to 2D provided with the slits 5A to 5D, resonance between the drive vibration mode and the detection vibration mode is performed as compared with the case where the slits 5A to 5D are not provided in the rectangular annular portion 2. The frequency is lowered and the vibration amplitude can be increased. Therefore, the Coriolis force acting on the vibrator 1 is increased, the detection efficiency is improved, and the detection sensitivity represented by the product of the Coriolis force and the detection efficiency can be increased.
また、振動ジャイロ１１は、駆動振動モードと検出振動モードのいずれの振動モードにおいても連結部７の連結梁部７Ａ〜７Ｄそれぞれの中央の部分がノード点となり、それらのノード点の位置が駆動振動モードと検出振動モードとで一致する。したがって、それらのノード点で振動ジャイロ１１を支持することで、振動子１の支持部を介した振動の漏れを防ぐことや、外乱による不要振動の励振を防ぐことができ、検出電圧のドリフトが抑えられて角速度の検出感度を高められる。また、振動子１の振動が振動子１の支持部によって規制されることがないため、角速度の検出感度を高くすることができる。 Further, in the vibration gyro 11, the center portion of each of the connecting beam portions 7A to 7D of the connecting portion 7 serves as a node point in any of the driving vibration mode and the detection vibration mode, and the position of these node points is the driving vibration. The mode and detection vibration mode match. Therefore, by supporting the vibration gyro 11 at those node points, it is possible to prevent leakage of vibration through the support portion of the vibrator 1 and excitation of unnecessary vibration due to disturbance, and the detection voltage drifts. It is suppressed and the detection sensitivity of angular velocity can be increased. In addition, since the vibration of the vibrator 1 is not restricted by the support portion of the vibrator 1, the angular velocity detection sensitivity can be increased.
また、振動子１は、シリコン基板から一体成形された構成であり、圧電膜１３と電極１２，１４，１５，１６Ａ，１６Ｂとから電気機械変換素子を構成していることにより、振動子１の半導体微細加工プロセスと、電極および圧電膜の薄膜微細加工プロセスとを用いて振動ジャイロ１１は製造することができる。したがって、形状精度を極めて高いものにすることができる。なお、圧電膜１３と基板１７との間に浮き電極１２を設けることにより、浮き電極１２を設けない場合よりも、圧電膜１３に作用する垂直な電界を大きくすることができ、圧電膜１３の変形を大きなものにすることができる。また、浮き電極１２は、振動子１にビア等を設けて配線する必要が無く、振動子１を理想的な振動モードで振動させることができる。 In addition, the vibrator 1 has a structure integrally formed from a silicon substrate, and the piezoelectric film 13 and the electrodes 12, 14, 15, 16A, and 16B constitute an electromechanical conversion element. The vibrating gyroscope 11 can be manufactured using a semiconductor microfabrication process and a thin film microfabrication process of electrodes and piezoelectric films. Therefore, the shape accuracy can be made extremely high. By providing the floating electrode 12 between the piezoelectric film 13 and the substrate 17, the vertical electric field acting on the piezoelectric film 13 can be made larger than when the floating electrode 12 is not provided. The deformation can be made large. Further, the floating electrode 12 does not need to be provided with a via or the like in the vibrator 1, and can vibrate the vibrator 1 in an ideal vibration mode.
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ２１について説明する。
<< Second Embodiment >>
Next, a vibrating gyroscope 21 according to a second embodiment of the present invention will be described.
図５（Ａ）は、本実施形態に係る振動ジャイロ２１の部分拡大断面図である。この振動ジャイロ２１は、第１の実施形態で示した振動子１の底面にＳｉＯ２薄膜２２を設け、振動子１のノード点をシリコン柱部２３で支持する構成である。 FIG. 5A is a partially enlarged sectional view of the vibrating gyroscope 21 according to the present embodiment. This vibrating gyroscope 21 has a configuration in which the SiO 2 thin film 22 is provided on the bottom surface of the vibrator 1 shown in the first embodiment, and the node point of the vibrator 1 is supported by the silicon pillar portion 23.
このような構成の場合、振動子１とＳｉＯ２薄膜２２とシリコン柱部２３とを、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から一体成形することができる。ＳＯＩ基板はＳｉＯ２薄膜の両面にシリコンの単結晶構造が設けられた基板である。 In the case of such a configuration, the vibrator 1, the SiO 2 thin film 22, and the silicon pillar portion 23 can be integrally formed from an SOI (Silicon On Insulator) substrate. The SOI substrate is a substrate in which a single crystal structure of silicon is provided on both surfaces of a SiO 2 thin film.
振動ジャイロ２１においてＳＯＩ基板を利用する場合には、ＳＯＩ基板の天面側からＳｉＯ２薄膜２２をエッチングストップ層としてＳｉをエッチングすることにより振動子１を成形し、ＳＯＩ基板の底面側からＳｉＯ２薄膜２２をエッチングストップ層としてＳｉをエッチングすることによりシリコン柱部２３を形成するとよい。このようにＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ２１を製造することにより、部材供給の安定性と高品質化、製造コストの低廉化などを図ることができる。 When using the SOI substrate in the vibration gyro 21, a vibrator 1 is formed by etching the Si to SiO 2 thin film 22 as an etch stop layer from the top surface side of the SOI substrate, SiO 2 from the bottom side of the SOI substrate Silicon pillar 23 may be formed by etching Si using thin film 22 as an etching stop layer. By manufacturing the vibrating gyroscope 21 using the SOI substrate in this way, it is possible to achieve stability and high quality of the material supply, reduction in manufacturing cost, and the like.
図５（Ｂ）は、本実施形態の変形例に係る振動ジャイロ３１の部分拡大断面図である。振動ジャイロ３１は、ＳｉＯ２支持部３２とシリコン基板３３とを備えている。ＳｉＯ２支持部３２は、ＳｉＯ２薄膜からなる。ＳｉＯ２薄支持部３２は、振動子１のノード点となる領域のみに設けられていて、振動子１とシリコン基板３３とを物理的に接続している。 FIG. 5B is a partially enlarged cross-sectional view of a vibrating gyroscope 31 according to a modification of the present embodiment. The vibration gyro 31 includes a SiO 2 support portion 32 and a silicon substrate 33. The SiO 2 support part 32 is made of a SiO 2 thin film. The SiO 2 thin support portion 32 is provided only in a region that becomes a node point of the vibrator 1 and physically connects the vibrator 1 and the silicon substrate 33.
このような構成の場合にも、振動子１とＳｉＯ２支持部３２とシリコン基板３３とを、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から一体成形することができる。具体的には、ＳＯＩ基板の天面側からＳｉＯ２薄膜をエッチングストップ層としてＳｉをエッチングすることにより振動子１を成形し、そのエッチングによる開口部からＳｉＯ２薄膜をエッチングすることによりＳｉＯ２支持部３２を成形するとよい。この場合にも、ＳＯＩ基板を利用して振動ジャイロ３１を製造することにより、部材供給の安定性と高品質化、製造コストの低廉化などを図ることができる。 Even in such a configuration, the vibrator 1, the SiO 2 support portion 32, and the silicon substrate 33 can be integrally formed from an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Specifically, the vibrator 1 is formed by etching the Si thin SiO 2 film as an etching stop layer from the top surface side of the SOI substrate, SiO 2 supported by etching the SiO 2 thin film from the opening due to the etching The part 32 may be formed. Also in this case, by manufacturing the vibrating gyroscope 31 using the SOI substrate, it is possible to improve the stability and quality of the material supply, and to reduce the manufacturing cost.
《第３の施形態》
次に、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ４１について説明する。
<< Third embodiment >>
Next, a vibrating gyroscope 41 according to a third embodiment of the present invention will be described.
図６は、本実施形態に係る振動ジャイロ４１の部分拡大断面図である。この振動ジャイロ４１は、第１の実施形態で示したものとは異なる電極構造を持つ構成である。 FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view of the vibrating gyroscope 41 according to the present embodiment. The vibration gyro 41 has a configuration having an electrode structure different from that shown in the first embodiment.
振動ジャイロ４１は、グランド電極４２と、圧電膜４３と、第１の駆動電極４４と、第２の駆動電極４５と、基板４７を備えている。グランド電極４２は、圧電膜４３と基板４７との間に配置されている。グランド電極４２は、第１の実施形態の浮き電極１２をグランドに接続されている。第１の駆動電極４４と、第２の駆動電極４５とは、圧電膜４３を介してグランド電極４２に対向するように設けられている。駆動電極４４，４５は、互いに正負の極性が逆の駆動電圧が印加される。このような電極構造であれば、第１の実施形態で示した電極構造と同じ駆動電圧であっても、圧電膜４３に作用する電界の強さを２倍にすることができ、振動子１の振動振幅をさらに大きくすることができる。 The vibration gyro 41 includes a ground electrode 42, a piezoelectric film 43, a first drive electrode 44, a second drive electrode 45, and a substrate 47. The ground electrode 42 is disposed between the piezoelectric film 43 and the substrate 47. The ground electrode 42 connects the floating electrode 12 of the first embodiment to the ground. The first drive electrode 44 and the second drive electrode 45 are provided to face the ground electrode 42 with the piezoelectric film 43 interposed therebetween. The drive electrodes 44 and 45 are applied with drive voltages having opposite positive and negative polarities. With such an electrode structure, the strength of the electric field acting on the piezoelectric film 43 can be doubled even with the same drive voltage as that of the electrode structure shown in the first embodiment. The vibration amplitude can be further increased.
《第４の実施形態》
次に、本発明の第４の実施形態に係る振動子の構成について説明する。
<< Fourth Embodiment >>
Next, the configuration of the vibrator according to the fourth embodiment of the invention will be described.
図７(Ａ)は、本実施形態に係る振動子５１の斜視図である。振動子５１は、第１の実施形態で示した振動子１の構成から錘部を省いた構成である。この振動子５１は、第１の実施形態と同様に、図３で示した振動モードと同じ振動モードで振動する。すなわち、Ｘ−Ｙ面におけるＸ軸から+４５°傾斜した方向を対称軸として、振動子５１が変形する振動モードである第１の面内振動モードと、Ｘ−Ｙ面におけるＸ軸から−４５°傾斜した方向を対称軸として、振動子５１が変形する振動モードである第２の面内振動モードで振動する。 FIG. 7A is a perspective view of the vibrator 51 according to this embodiment. The vibrator 51 has a configuration in which a weight portion is omitted from the configuration of the vibrator 1 shown in the first embodiment. Similar to the first embodiment, the vibrator 51 vibrates in the same vibration mode as that shown in FIG. That is, the first in-plane vibration mode which is a vibration mode in which the vibrator 51 is deformed with respect to a direction inclined + 45 ° from the X axis in the XY plane and −45 from the X axis in the XY plane. With the inclined direction as the axis of symmetry, the vibrator 51 vibrates in the second in-plane vibration mode, which is a vibration mode in which the vibrator 51 is deformed.
図７(Ｂ)は、本実施形態の変形例に係る振動子６１の斜視図である。振動子６１は、第１の実施形態で示した振動子１の構成から連結部および錘部を省いた構成である。この振動子６１は、第１の実施形態と同様に、図３で示した振動モードと同じ振動モードで振動するだけではなく、従来例の図１で示した振動モードと同様に、Ｘ軸を対称軸とする振動モードと、Ｙ軸を対称軸とする振動モードでも振動する。 FIG. 7B is a perspective view of a vibrator 61 according to a modification of the present embodiment. The vibrator 61 has a configuration in which the connecting portion and the weight portion are omitted from the configuration of the vibrator 1 shown in the first embodiment. Similar to the first embodiment, the vibrator 61 not only vibrates in the same vibration mode as the vibration mode shown in FIG. 3, but also has the X axis as in the vibration mode shown in FIG. It vibrates even in a vibration mode having a symmetric axis and a vibration mode having a Y axis as a symmetric axis.
図７（Ｃ）は、本実施形態の変形例に係る振動子７１の斜視図である。振動子７１は、単一の複合梁２Ａを備える構成である。この振動子７１は、スリット５Ａの間隔が拡縮するとともに、両端間隔が変化する振動モードのみを有する。 FIG. 7C is a perspective view of a vibrator 71 according to a modification of the present embodiment. The vibrator 71 includes a single composite beam 2A. This vibrator 71 has only a vibration mode in which the interval between the slits 5A expands and contracts and the interval between both ends changes.
これらの振動子５１，６１，７１であってもスリットを設けて複合梁を構成することにより、単純梁の場合よりも共振周波数を低減し、振動振幅を大きくすることができる。したがって、これらの振動子を利用して振動ジャイロを構成することにより、角速度に対する良好な検出感度を実現することが容易となる。 Even with these vibrators 51, 61, 71, by forming a composite beam by providing slits, the resonance frequency can be reduced and the vibration amplitude can be increased as compared with the case of a simple beam. Therefore, by configuring a vibration gyro using these vibrators, it becomes easy to realize good detection sensitivity with respect to angular velocity.
１，５１，６１，７１…振動子
２…矩形環状部
２Ａ〜２Ｄ…複合梁部
３Ａ〜３Ｄ…外周側梁部
４Ａ〜４Ｄ…内周側梁部
５Ａ〜５Ｄ，９Ａ〜９Ｄ…スリット
６Ａ〜６Ｄ…剛接部
７…連結部
７Ａ〜７Ｄ…連結梁部
７Ｅ…中央連結部
８Ａ〜８Ｄ…錘部
１１，２１，３１，４１，…振動ジャイロ
１２…浮き電極
１３，４３…圧電膜
１４…グランド電極
１５…駆動電極
１６Ａ，１６Ｂ…検出電極
１７，４７…基板
２２…ＳｉＯ２薄膜
２３…シリコン柱部
３２…ＳｉＯ２支持部
３３…シリコン基板
４２…グランド電極
４４…第１の駆動電極
４５…第２の駆動電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,51,61,71 ... Vibrator 2 ... Rectangular annular part 2A-2D ... Composite beam part 3A-3D ... Outer peripheral side beam part 4A-4D ... Inner peripheral side beam part 5A-5D, 9A-9D ... Slit 6A- 6D ... rigid contact portion 7 ... connecting portions 7A-7D ... connecting beam portion 7E ... central connecting portions 8A-8D ... weight portions 11, 21, 31, 41 ... vibration gyro 12 ... floating electrodes 13, 43 ... piezoelectric film 14 ... Ground electrode 15 ... Drive electrodes 16A, 16B ... Detection electrodes 17, 47 ... Substrate 22 ... SiO 2 thin film 23 ... Silicon column 32 ... SiO 2 support 33 ... Silicon substrate 42 ... Ground electrode 44 ... First drive electrode 45 ... Second drive electrode
Claims (8)
前記第１の梁部が外周側に位置し、前記第２の梁部が内周側に位置するように、前記複合梁を端部同士で剛接させて矩形環状に繋いだ矩形環状部を備え、
各前記複合梁は、前記矩形環状部の環状中心を通る軸に対して直交する面上に、前記第１の梁部と前記第２の梁部とが位置する構成であり、
前記複数の複合梁のうちの一部の複合梁において前記第１の梁部と前記第２の梁部とに設けた駆動電極と、
前記複数の複合梁のうちの前記駆動電極が設けられていない複合梁において前記第１の梁部と前記第２の梁部とに設けた検出電極と、を備えた、振動子。 A plurality of composite beams having a configuration in which a first beam portion and a second beam portion parallel to each other are rigidly connected at both ends ;
A rectangular annular portion in which the composite beams are rigidly brought into contact with each other so that the first beam portion is located on the outer peripheral side and the second beam portion is located on the inner peripheral side, and connected in a rectangular annular shape. Prepared,
Each of the composite beams is configured such that the first beam portion and the second beam portion are positioned on a plane orthogonal to an axis passing through the annular center of the rectangular annular portion,
Drive electrodes provided on the first beam portion and the second beam portion in some of the plurality of composite beams;
A vibrator comprising: a detection electrode provided on the first beam portion and the second beam portion in a composite beam in which the drive electrode is not provided among the plurality of composite beams.
前記連結梁部は、一方の端部が前記第２の梁部に剛接され、他方の端部が前記中央連結部に剛接されており、
前記中央連結部は、振動子の中心に設けられている、請求項１に記載の振動子。 It is provided with a connecting part composed of a connecting beam part and a central connecting part,
The connecting beam portion has one end rigidly connected to the second beam portion, and the other end rigidly connected to the central connecting portion,
The vibrator according to claim 1 , wherein the central connecting portion is provided at a center of the vibrator.
前記振動子を駆動して第１の面内振動モードの振動を前記振動子に励起させる駆動部と、
前記第１の面内振動モードで振動する前記振動子に、振動方向に直交する回転軸回りの角速度によって前記振動子に作用するコリオリの力により励起する第２の面内振動モードの振動を検出する検出部と、を備える、振動ジャイロ。 The vibrator according to claim 1;
A drive unit that drives the vibrator to excite the vibrator in a first in-plane vibration mode;
Detection of vibration in the second in-plane vibration mode excited by the Coriolis force acting on the vibrator by the angular velocity around the rotation axis orthogonal to the vibration direction is detected in the vibrator vibrating in the first in-plane vibration mode. A vibrating gyroscope comprising:
前記駆動部および前記検出部は、圧電膜と、グランド電極と、前記駆動電極または前記検出電極とを備える、請求項４に記載の振動ジャイロ。 The vibrator is made of a silicon substrate,
The drive unit and the detection unit comprises a piezoelectric film, and the ground electrode, and the driving electrode and the detection electrode, the vibration gyro of claim 4.
前記駆動電極または前記検出電極とは、前記圧電膜を介して前記浮き電極に対向するように形成されている、請求項６に記載の振動ジャイロ。 The drive unit and the detection unit include floating electrodes,
The vibrating gyroscope according to claim 6 , wherein the drive electrode or the detection electrode is formed to face the floating electrode through the piezoelectric film.
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