JP2000180173A

JP2000180173A - 振動子、振動型ジャイロスコープおよび直線加速度計

Info

Publication number: JP2000180173A
Application number: JP10351458A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行; Shosaku Goji; 庄作郷治; Yukihisa Osugi; 幸久大杉; Takao Soma; 隆雄相馬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-06-30
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: JP3958455B2

Abstract

(57)【要約】【課題】振動子の屈曲振動片の成形後の形状のバラツキ
に起因する、回転角速度等の検出対象の検出感度のバラ
ツキを減少させることである。【解決手段】振動子は、少なくとも一部が固定されてい
る屈曲振動片１６Ａ−１６Ｄと、屈曲振動片の屈曲振動
と外部の電気信号との間の変換を行うための励振手段ま
たは検出手段とを備えており、屈曲振動片のうち励振手
段または検出手段が設けられていない領域に凹部１７Ａ
−１７Ｄが設けられている。または、屈曲振動片１６Ａ
が屈曲振動する際の内部歪みが相対的に小さい領域に凹
部１７Ａ−１７Ｄが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動型ジャイロス
コープおよびこれに好適に使用できる振動子、および振
動子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、回転系内の回転角速度を検出
するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型
ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位
置の確認用として利用されてきた。最近では、民生用の
分野としてカーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメ
ラの手振れの検出などに使用されている。

【０００３】このような圧電振動型ジャイロスコープ
は、振動している物体に角速度が加わると、その振動と
直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そ
して、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、
「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１
〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープと
しては、これまでに種々のものが提案されている。例え
ば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型
ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、
円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。こうし
た振動子は、現在のところ、水晶板をエッチング処理す
ることによって成形されている（例えば特開昭６０−７
３４１４号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者が、
水晶板をエッチング処理して振動子を作製することを試
みたところ、振動子による回転角速度の検出感度にバラ
ツキが生ずることがあった。

【０００５】本発明者は、この原因を追求し、次の知見
を得た。即ち、水晶板をエッチング処理することによっ
て振動子を作製する場合には、その振動子が属する製造
ロットによって、エッチングの時間やエッチング液の濃
度にバラツキが生ずる。こうしたエッチング処理時のバ
ラツキは、エッチング処理自体がウエットプロセスであ
ることから、制御が困難な面がある。そして、これらの
バラツキによって、振動子の屈曲振動片の駆動振動の固
有共振周波数と検出振動の固有共振周波数の差にバラツ
キが生じ、このため振動子の感度にもバラツキが生ずる
ものと考えられた。

【０００６】本発明の課題は、振動子の屈曲振動片の成
形後の形状のバラツキに起因する、回転角速度等の検出
対象の検出感度のバラツキを減少させることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る振動子は、
少なくとも一部が固定されている屈曲振動片と、屈曲振
動片の屈曲振動と外部の電気信号との間の変換を行うた
めの励振手段または検出手段とを備えている振動子であ
って、屈曲振動片のうち励振手段または検出手段が設け
られていない領域に凹部が設けられていることを特徴と
する、振動子に係るものである。

【０００８】また、本発明は、少なくとも一部が固定さ
れている屈曲振動片を備えている振動子であって、この
屈曲振動片が屈曲振動する際の内部歪みが相対的に小さ
い領域に凹部が設けられていることを特徴とする。

【０００９】また、本発明は、回転系の回転角速度を検
出するための振動型ジャイロスコープであって、前記の
振動子を備えていることを特徴とする。また、本発明
は、直線加速度を検出するための直線加速度計であっ
て、前記の振動子と、この振動子に直線加速度が加わっ
たときに前記振動子に加わるニュートンの力による振動
子の変形を検出するための検出手段とを備えることを特
徴とする。

【００１０】また、本発明は、前記の振動子を製造する
方法であって、振動子の素材の所定箇所に凹部を形成
し、次いで素材をエッチング処理することによって振動
子を形成し、次いで前記屈曲振動片のうち凹部が形成さ
れていない領域に励振手段または検出手段を設けること
を特徴とする。

【００１１】本発明者は、振動子の屈曲振動片のうち、
励振手段または検出手段が設けられていない領域に凹部
を設けることによって、あるいは、屈曲振動片が屈曲振
動する際の内部歪みが相対的に小さい領域に凹部を設け
ることによって、振動子を成形した後の振動子の屈曲振
動片の駆動振動の固有共振周波数と検出振動の固有共振
周波数の差のバラツキを抑制できることを見いだした。
この原理について、図１、図２を参照しつつ、説明す
る。

【００１２】図１は、本発明の一実施形態に係る圧電単
結晶製の振動子を備えた振動型ジャイロスコープを、概
略的に示す平面図である。基部３１は、振動子の重心Ｇ
Ｏを中心として、４回対称の正方形をしている。基部３
１の周縁部３１ａから、四方に向かって放射状に、二つ
の駆動振動系１Ａ、１Ｂと検出振動系２Ａ、２Ｂとが突
出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振
動系１Ａと１Ｂとは重心ＧＯを中心として２回対称であ
り、検出振動系２Ａと２Ｂとは重心ＧＯを中心として２
回対称である。

【００１３】駆動振動系１Ａ、１Ｂは、基部３１の周縁
部３１ａから突出する支持部１２Ａ、１２Ｂと、支持部
１２Ａ、１２Ｂの先端１２ｂ側から支持部に直交する方
向に延びる屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄを備えている。各
屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄは、更には各屈曲振動片１６
Ａ、１６Ｂ、および１６Ｃ、１６Ｄからなる。各屈曲振
動片１６Ａ−１６Ｄには、それぞれ駆動電極１１Ａ、１
１Ｂが設けられている。各検出振動系２Ａ、２Ｂは、細
長い周方向屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄからなり、各屈曲
振動片には検出電極１０Ａ、１０Ｂが設けられている。

【００１４】この振動子の駆動振動の振動モードにおい
ては、各屈曲振動片１６Ａ−１６Ｄが、各支持部１２
Ａ、１２Ｂの各先端部分１２ｂ付近を中心として、矢印
５Ａ、５Ｂのように、主として径方向に向かって屈曲振
動している。検出振動の振動モードにおいては、各支持
部１２Ａ、１２Ｂが、固定部１２ａを中心として周方向
に屈曲振動し、これに対応して、各検出振動系２Ａ、２
Ｂの各屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄが、矢印６Ａ、６Ｂの
ように屈曲振動する。

【００１５】各屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１
６Ｄ、１４Ｃ、１４Ｄにおいて、駆動電極１１Ａ、１１
Ｂ、検出電極１０Ａ、１０Ｂよりも先端側に、凹部１７
Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄを設ける。なお、８は各屈
曲振動片の固定部分であり、９は各屈曲振動片の一方の
端部であり、１９は各屈曲振動片の他方の端部である。

【００１６】こうした凹部の作用効果について述べる。
図２に示すように、屈曲振動片をエッチングによって作
製する際には、実線で示す設計形状に対して、破線で示
すように、エッチングが更に進行し、即ちオーバーエッ
チングが起こることがある。この際、屈曲振動片の先端
面２１のエッチングが進行すると、屈曲振動片の質量が
減少するので、その共振周波数が上がる。一方、屈曲振
動片の側面２２のエッチングが進行すると、屈曲振動片
が細くなることから、その共振周波数が下がる。この結
果、全体としては、側面２２のエッチングの効果が大き
くなり、その共振周波数が下がる傾向があることがわか
った。

【００１７】そこで、本発明に従い、各屈曲振動片に貫
通孔１７Ａ−１７Ｄを設けることによって、側面２２の
オーバーエッチングが破線のように進行したときには、
凹部１７Ａ−１７Ｄのエッチングも、破線に示すように
進行する。言い換えると、各凹部の実線で示す設計形状
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄに対して、各凹部のエ
ッチングが更に進行し、１７Ａ−１７Ｄで示す形状の凹
部が実際には形成される。この結果、設計された凹部１
８Ａ−１８Ｄに比べて、実際の凹部１７Ａ−１７Ｄが大
きくなり、この結果、設計値よりも屈曲振動片の先端側
の質量が減少する。

【００１８】例えば、屈曲振動片が水晶からなり、その
長さが６ｍｍであり、幅が１．０ｍｍであり、厚さが
０．３ｍｍである場合、側面２２が設計値よりも１μｍ
エッチングされると、駆動、検出の各共振周波数の差
が、設計値に対して約２．８５Ｈｚ変化する。これに対
して、長さ０．４ｍｍ、幅０．３ｍｍの貫通孔１７Ａ−
１７Ｄを設けることによって、設計値に対して、共振周
波数差が０．０８Ｈｚしか変化しない。

【００１９】また、屈曲振動片に拡幅部を設け、この拡
幅部に凹部を設けることによって、凹部の前記効果を一
層大きくできる。または、凹部を小さくしても、前記の
効果が得られる。

【００２０】図３は、この実施形態に係る振動型ジャイ
ロスコープを示す。図３の振動型ジャイロスコープは、
図１のものと基本的に同様である。各屈曲振動片１６
Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１４Ｃ、１４Ｄの各先端
に、各屈曲振動片の幅よりも大きな幅を有する拡幅部２
５、２６を設け、各拡幅部２５、２６の中に、各凹部１
７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが設けられている。

【００２１】本発明に従って屈曲振動片に設けられる凹
部とは、屈曲振動片の表面に比べて凹んでいる空間部分
の総称である。ここで、凹部は盲孔でも良いが、凹部を
貫通孔とすることによって、前記したオーバーエッチン
グ時の屈曲振動片の質量の減少効果が一層大きくなる。

【００２２】屈曲振動片において凹部を形成する位置
は、検出手段または励振手段とは離れた位置とする。こ
の際、各凹部は、検出手段または励振手段とは０．３ｍ
ｍ以上離して設けることが好ましい。

【００２３】または、屈曲振動片において凹部を形成す
る位置は、屈曲振動片が屈曲振動する際の内部歪みが相
対的に小さい領域内とする。なぜなら、励振手段または
検出手段は、屈曲振動片が屈曲振動する際の内部歪みが
相対的に大きい領域内に通常設けられている。これは、
屈曲振動片の内部歪みが相対的に大きい領域は、電気信
号に対する応答性が高いことを意味しているからであ
る。これに対して、本発明の凹部を、こうした内部歪み
が高い領域を避けて設けることによって、屈曲振動片の
電気機械的特性に悪影響を与えることなく、あるいは大
きな変動をもたらすことなく、屈曲振動片の質量に対し
てのみ所望の作用をもたらすことができる。

【００２４】ここで、屈曲振動片において内部歪みが相
対的に小さい領域とは、屈曲振動片の内部歪みの最大値
に対して小さいことを意味しているが、最大値の１／２
以下であることが好ましい。なお、屈曲振動片の各点の
内部歪みは、屈曲振動片の特定の屈曲振動モードにおけ
る各点の振幅を微分することによって、得ることができ
る。

【００２５】屈曲振動片において内部歪みが相対的に小
さい領域は、屈曲振動片の固定部の位置と、屈曲振動の
モードによって変化するが、一般的には次のことが言え
る。

【００２６】屈曲振動片の長さを１．０としたとき、屈
曲振動片の振動子本体への固定部分から０．６（好まし
くは０．５）の長さまでの領域は、屈曲振動時の内部歪
みが大きく、従って検出手段または励振手段を設けるの
に適している。屈曲振動片の開放端部から０．４（好ま
しくは０．３）の長さまでの領域は、屈曲振動時の内部
歪みが小さく、従って凹部を設けるのに適している。

【００２７】図１−図３に示すように、屈曲振動片の一
方の端部を振動子の本体に対して固定し、屈曲振動片の
他方の端部を開放させたときには、屈曲振動片の全長を
１．０とすると、屈曲振動片の一方の端部から０．６
（好ましくは０．５）の長さまでの領域が内部歪みが大
きく、この領域内に検出手段または励振手段を設けるこ
とが好ましい。また、屈曲振動片の他方の端部から０．
４（好ましくは０．３）の長さまでの領域は内部歪みが
相対的に小さく、この領域内に凹部を設けることが好ま
しい。

【００２８】屈曲振動片の一方の端部と他方の端部と
を、それぞれ、振動子の本体に対して固定したときに
は、屈曲振動片の全長を１．０とすると、屈曲振動片の
一方の端部、および他方の端部から０．３（好ましくは
０．２５）の長さまでの各領域が、内部歪みが大きく、
これらの各領域内に検出手段または励振手段を設けるこ
とが好ましい。また、屈曲振動片の一方の端部および他
方の端部からそれぞれ０．３（好ましくは０．２５）以
上の長さ離れた領域は、内部歪みが相対的に小さく、こ
の領域内に凹部を設けることが好ましい。

【００２９】屈曲振動片の中央部を振動子の本体に対し
て固定し、振動子の一方の端部と他方の端部とを開放さ
せることもできる。この場合には、屈曲振動片の全長を
１．０とすると、屈曲振動片の固定部位から、一方の端
部および他方の端部へと向かって、０．３（好ましくは
０．２５）の長さ離れた位置までの領域が、内部歪みが
大きく、これらの各領域内に検出手段または励振手段を
設けることが好ましい。また、屈曲振動片の一方の端部
および他方の端部を起点として、一方の端部および他方
の端部からそれぞれ０．２（好ましくは０．１５）の長
さ離れた位置までの領域は、内部歪みが相対的に小さ
く、この領域内に凹部を設けることが好ましい。

【００３０】本発明の振動子の変位は、特に好ましく
は、所定面内で生ずる。この場合には、振動子の全体
を、同一の圧電単結晶によって形成することができる。
この場合には、まず圧電単結晶の薄板を作製し、この薄
板をエッチングにより加工することによって、振動子を
作製できる。

【００３１】平板形状の材料、例えば水晶等の圧電単結
晶の平板状の材料から、エッチングプロセスによって振
動子を形成する場合には、振動子の各屈曲振動片に、特
定形状の突起、例えば細長い突起が生成することがあ
る。このような突起は、厳密には設計時に予定された振
動子の対称性を低下させる原因となる。しかし、この突
起は存在していても良く、突起の高さは小さい方が好ま
しいが、突起の高さが、屈曲振動片の幅の１／５以下で
あれば一般に問題なく使用できる。他の製造上の原因に
よる突起以外の非対称部分が振動子に存在する場合にも
同様である。

【００３２】また、振動子の材質は特に限定するもので
ないが、水晶、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ニオブ酸
リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔ
ａ）Ｏ₃）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイ
ト単結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好まし
い。

【００３３】前記した単結晶の中では、ＬｉＮｂＯ₃単
結晶、ＬｉＴａＯ₃単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタ
ル酸リチウム固溶体単結晶が、電気機械結合係数が特に
大きい。また、ＬｉＴａＯ₃単結晶が、ＬｉＮｂＯ₃単
結晶よりも比重が大きいため、感度が大きく、かつ温度
安定性も一層良好である。

【００３４】圧電単結晶を使用すると、検出感度を良好
にすることができるとともに、検出ノイズを小さくでき
る。しかも、圧電単結晶を使用すると、温度変化に対し
て特に鈍感な振動子を作製でき、このような振動子は、
温度安定性を必要とする車載用として好適である。この
点について更に説明する。

【００３５】音叉型の振動子を使用した角速度センサと
しては、例えば特開平８−１２８８３３号公報に記載さ
れた圧電振動型ジャイロスコープがある。しかし、こう
した振動子においては、振動子が２つの方向に向かって
振動する。このため、振動子を特に圧電単結晶によって
形成した場合には、圧電単結晶の２方向の特性を合わせ
る必要がある。しかし、現実には圧電単結晶には異方性
がある。

【００３６】一般に圧電振動型ジャイロスコープでは、
測定感度を良好にするために、駆動の振動モードの固有
共振周波数と検出の振動モードの固有共振周波数との間
に、一定の振動周波数差を保つことが要求されている。
しかし、圧電単結晶は異方性を持っており、結晶面が変
化すると、振動周波数の温度変化の度合いが異なる。例
えば、ある特定の結晶面に沿って切断した場合には、振
動周波数の温度変化がほとんどないが、別の結晶面に沿
って切断した場合には、振動周波数が温度変化に敏感に
反応する。従って、振動子が２つの方向に向かって振動
すると、２つの振動面のうち少なくとも一方の面は、振
動周波数の温度変化が大きい結晶面になる。

【００３７】これに対して、振動子の全体を所定面内で
振動するようにし、かつ振動子を圧電単結晶によって形
成することで、単結晶の最も温度特性の良い結晶面のみ
を振動子において利用できるようになった。

【００３８】即ち、振動子の全体が所定平面内で振動す
るように設計されていることから、圧電単結晶のうち振
動周波数の温度変化がほとんどない結晶面のみを利用し
て、振動子を製造することができる。これによって、き
わめて温度安定性の高い振動型ジャイロスコープを提供
できる。

【００３９】本発明の振動子を圧電性材料によって形成
した場合には、励振手段、検出手段として、振動子に駆
動電極および検出電極を設ける。圧電性材料としては、
圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧電セラミックスがあ
る。

【００４０】また、本発明の振動子を、エリンバー等の
恒弾性金属によって形成することもできる。この場合に
は、振動子の所定箇所に、検出手段、励振手段として、
圧電体を取り付ける必要がある。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、振
動子の屈曲振動片の成形後の形状のバラツキに起因す
る、回転角速度等の検出対象の検出感度のバラツキを減
少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロスコ
ープを示す平面図であり、各屈曲振動片の先端側に貫通
孔が形成されている。

【図２】各屈曲振動片のエッチングの進行の状況を説明
するための模式図である。

【図３】本発明の他の実施形態に係る振動型ジャイロス
コープを示す平面図であり、各屈曲振動片の先端側に拡
幅部が設けられており、拡幅部内に貫通孔が形成されて
いる。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ駆動振動系２Ａ、２Ｂ検出振動系
５Ａ、５Ｂ駆動振動６Ａ、６Ｂ検出振
動１０Ａ、１０Ｂ検出電極１１Ａ、１１
Ｂ駆動電極１４Ａ、１４Ｂ検出振動片
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ駆動振動片１
７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ凹部（貫通孔）
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ凹部の設計形状

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大杉幸久愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (72)発明者相馬隆雄愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 2F105 AA01 AA08 BB15 BB20 CC01 CC04 CD01 CD02 CD05 CD06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一部が固定されている屈曲振動
片と、この屈曲振動片の屈曲振動と外部の電気信号との
間の変換を行うための励振手段または検出手段とを備え
ている振動子であって、前記屈曲振動片のうち前記励振
手段または検出手段が設けられていない領域に凹部が設
けられていることを特徴とする、振動子。
【請求項２】少なくとも一部が固定されている屈曲振動
片を備えている振動子であって、この屈曲振動片が屈曲
振動する際の内部歪みが相対的に小さい領域に凹部が設
けられていることを特徴とする、振動子。
【請求項３】前記屈曲振動片に複数の前記凹部が設けら
れていることを特徴とする、請求項１または２記載の振
動子。
【請求項４】前記屈曲振動片に拡幅部が設けられてお
り、この拡幅部の中に少なくとも一つの前記凹部が設け
られていることを特徴とする、請求項１−３のいずれか
一つの請求項に記載の振動子。
【請求項５】前記振動子が所定平面内で屈曲振動するこ
とを特徴とする、請求項１−４のいずれか一つの請求項
に記載の振動子。
【請求項６】回転系の回転角速度を検出するための振動
型ジャイロスコープであって、請求項１−５のいずれか
一つの請求項に記載の振動子を備えていることを特徴と
する、振動型ジャイロスコープ。
【請求項７】直線加速度を検出するための直線加速度計
であって、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載
の振動子と、この振動子に直線加速度が加わったときに
前記振動子に加わるニュートンの力による前記振動子の
変形を検出するための検出手段とを備えることを特徴と
する、直線加速度計。