JP2004125458A - 音叉型圧電振動片及び圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【解決手段】音叉型水晶振動片１は基部２と、基部から延長する１対の駆動用振動腕３及び１対の検出用振動腕４とを備え、検出用振動腕４は上下各主面にそれぞれ長手方向に沿って設けられた主面電極１３ａ、１３ｂと、各側面にそれぞれ２つずつ長手方向に沿ってかつ厚み方向に分離して設けられた側面電極１４ａ〜１４ｄとを有する。接地された各主面電極とそれに隣接する側面電極との間に発生する電位差を検出すると、それらの極性の組合せにより検出用振動腕の振動の向き即ち音叉型水晶振動片の回転の向きが、及び出力信号のレベルにより振動の大きさ即ち回転の速度が求められる。
【効果】１個のデバイスで直交する２方向の加速度、振動を検出可能な圧電振動ジャイロが得られ、装置の小型化及び製造コストの低減が図られる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動用振動腕と検出用振動腕とを有する音叉型圧電振動片に関し、特に角速度センサ等に使用される圧電振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、船舶・航空機・自動車等の姿勢制御やナビゲーションシステム、ビデオカメラ等の手振れ防止及び検出等における回転角速度センサとして、圧電振動ジャイロが広く利用されており、３次元立体マウス等の回転方向センサにも応用されている。圧電振動ジャイロは、例えば本願出願人による下記特許文献１、特許文献２等において、様々な構造のものが提案されている。
【０００３】
図６は、このような圧電振動ジャイロに使用される従来の音叉型水晶振動片１を例示しており、特許文献１に記載のものと同様に、中央の基部２から一方の側に延出する１対の駆動用振動腕３と、それとは反対側に延出する１対の検出用振動腕４とを有する。水晶振動片１は、所望の圧電特性を発揮するように、振動腕３、４の長手方向、幅方向及び厚み方向をそれぞれ水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対応させて配向される。水晶振動片１は、圧電振動ジャイロのパッケージ内に基部２を接着固定させてマウントされる。
【０００４】
駆動用振動腕３は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、上下主面に形成された長手方向の溝５の内面に設けられた第１駆動電極６ａと側面に設けられた第２駆動電極６ｂとを有し、これらが互いに電気的に接続されて駆動用振動腕３を振動させる駆動電極を構成している。検出用振動腕４は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、各側面にそれぞれ第１及び第２検出電極７ａ、７ｂが厚み方向に分離させて設けられ、該検出用振動腕の振動を検出するための検出電極を構成している。これら各電極は、それぞれ基部２に設けられた電極パッド８、９に配線されており、これらを介してそれぞれ駆動用又は検出用の回路に接続される。
【０００５】
前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、隣接する第１・第２駆動電極６ａ、６ｂ間で電界が交互に発生し、その共振振動数で駆動用振動腕３が、主面と同じＸＹ面内でかつ互いに逆向きに屈曲振動する。この第１駆動電極６ａを溝５の内面に設けた構成では、前記電界が各主面に対して平行に発生するので、電界効率が大幅に向上し、ＣＩ値を低く抑制できる。この状態で、水晶振動片１が図６のＹ軸１０周り即ち前記長手方向の軸線周りに回転すると、その回転角速度に対して、駆動用振動腕３の振動方向と直交する向き即ち主面に対して垂直なＺ軸方向にコリオリ力ｆが働く。この作用によって駆動用振動腕３は、主面に垂直な方向にかつ互いに逆向きに振動する。
【０００６】
駆動用振動腕３の垂直方向の振動は、基部２を介して検出用振動腕４に伝達される。検出用振動腕４は、これに共振して主面に垂直な方向にかつ互いに逆向きに振動する。この振動による検出用振動腕４の伸縮に対応した電位差が、図８（Ｂ）に示すように、それぞれ対向する第１検出電極７ａ、７ａ間及び第２検出電極７ｂ、７ｂ間に互いに逆向きに発生する。従って、この電位差を検出することによって、音叉型水晶振動片１のＹ軸周りの回転及び角速度等が求められる。
【０００７】
また、図９は従来の別の実施例による検出電極の構造を示しており、検出用振動腕４の各主面及び各側面にそれぞれ１つの検出電極１１ａ、１１ｂが設けられている。図８の場合と同様に、駆動用振動腕３が主面と同じ面内で振動している状態で、音叉型水晶振動片１が図６のＺ軸１２周り即ち前記厚み方向の軸線周りに回転すると、その回転角速度に対して働くコリオリ力の作用によって、検出用振動腕４は、主面と同じＸＹ面内で互いに逆向きに振動する。図９の検出電極は、検出用振動腕４がＸＹ面内で振動すると、隣接する主面側の検出電極１１ａと側面側の検出電極１１ｂ間に電位差が、同図に示すように振動の向きに対応して発生する。同様にこの電位差を検出することによって、音叉型水晶振動片１のＺ軸周りの回転及び角速度等が求められる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１７０２７２号
【特許文献２】特開平１１−３１６１２５号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の圧電振動ジャイロは、その検出電極の構造によって検出し得る振動が、主面に垂直な方向又は主面と同じ面内での振動のいずれか一方に限定される。そのため、例えば航空機等の姿勢制御やナビゲーションシステム、ビデオカメラの手振れ防止のように、三次元的な動作に対して複数の方向についてその加速度や振動を検出する用途の場合、複数の圧電振動ジャイロを検出したい方向毎に位置や向きを変えて配置し、かつそれらを配線により接続して出力を処理する必要がある。その結果、センサ装置は、これらを搭載しかつ配線するためにより広いスペースが必要となるので、最近の装置の小型化の要求に反して大型化し、また部品点数が増え、装置の製造コストが増大するという問題点が生じる。
【００１０】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、１個のデバイスで複数の方向における加速度や振動を検出することができ、それにより部品点数及び余分な配線を少なくして、省スペースによる装置の小型化を実現しかつ製造コストを低減し得る圧電振動ジャイロとして使用可能な音叉型圧電振動片を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、基部と、前記基部から延出する駆動用振動腕と、前記基部から延出する検出用振動腕と、前記駆動用振動腕に設けられた駆動電極と、前記検出用振動腕に設けられた検出電極とを備え、前記検出電極が、検出用振動腕の各側面にそれぞれ２つずつ厚み方向に分離した側面電極と、その各主面にそれぞれ設けられた主面電極とからなることを特徴とする音叉型圧電振動片が提供される。
【００１２】
このような検出電極の構造によって、本発明の検出用振動腕には、隣接する主面と側面との間に互いに対をなす４組の電極が設けられる。検出用振動腕がその主面に垂直な方向に振動する場合には、その厚み方向の伸縮に対応した電圧が、各側面電極とそれに隣接する主面電極との間、及び該主面電極とそれに隣接する反対側の側面電極との間にそれぞれ発生する。検出用振動腕が主面と同じ面内で振動する場合には、その幅方向の伸縮に対応した電圧が、各主面電極とそれに隣接する左右の側面電極との間に発生する。従来技術に関連して上述したように、駆動用振動腕が主面と同じ面内で振動している状態で、音叉型圧電振動片が長手方向の軸線周り又は厚み方向の軸線周りに回転すると、コリオリ力の作用で検出用振動腕が主面に垂直な方向又は主面と同じ面内で振動することから、検出電極から出力される各信号を検出することによって、その極性の組合せにより検出用振動腕の振動方向即ち音叉型圧電振動片の回転の向きを、出力信号のレベルにより振動の大きさ即ち回転の速度を求めることができる。
【００１３】
従って、本発明の音叉型圧電振動片によれば、１個のデバイスで直交する２方向の加速度、振動を検出可能な圧電振動ジャイロが得られる。これを角速度センサ等の装置に搭載すると、部品点数及び余分な配線を少なくして省スペース化を図ることができ、装置の小型化を実現しかつその製造コストを低減することができる。しかも、本発明の検出用振動腕及び検出電極を有する音叉型圧電振動片は、フォトリソグラフィ技術を利用した従来の製造工程をそのまま利用し、特別な工程を追加したり複雑化することなく、製造することができ、有利である。
【００１４】
或る実施例では、前記検出用振動腕の主面電極が、それぞれ各主面の幅方向に分離した２つの主面電極から構成され、隣接する側面電極とそれぞれ対応させて、対応する電極対毎に電位差を検出することができる。また、検出用振動腕の各主面に設ける主面電極をそれぞれ１つとし、これを共通の電極として隣接する左右両側の側面電極とそれぞれ対応させることもできる。
【００１５】
別の実施例では、前記検出用振動腕がその各主面に形成された長手方向の溝を有し、かつ前記主面電極が前記長手方向溝の内面に形成されている。これにより、図７に関連して上述した従来の駆動用振動腕及び駆動電極の場合と同様に、屈曲振動による電界が各主面に対して平行に発生し、電界効率が大幅に向上してＣＩ値を低く抑制できるので、より高精度にかつ確実に振動を検出することができる。
【００１６】
また、或る実施例では、前記音叉型圧電振動片が水晶振動片であり、その場合に各振動腕の長手方向、幅方向及び厚み方向をそれぞれ水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対応させて配向することが、水晶の圧電特性から好ましい。
【００１７】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の音叉型圧電振動片と、前記検出電極の各主面電極とそれに隣接する側面電極間の電位差を測定する検出回路とを備えることを特徴とする圧電振動ジャイロが提供される。これにより、１個のデバイスで直交する２方向の加速度、振動を検出することができる。
【００１８】
或る実施例では、前記各主面電極が接地されていることにより、検出回路の構成を簡単化しつつ、各電極間の必要な電圧を検出することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例による圧電振動ジャイロ用の音叉型圧電振動片は、基本的に図６と同じ形態を有する音叉型水晶振動片１からなり、基部２と、基部２から延長する１対の駆動用振動腕３と、基部２から駆動用振動腕３とは反対側に延長する１対の検出用振動腕４とを備える。駆動用振動腕３は図７と同じ構造を有するので、詳細な説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明の検出電極構造を有する検出用振動腕４を示している。本実施例の検出用振動腕４は、その振動を検出するための検出電極として、上下各主面にそれぞれ長手方向に沿って設けられた主面電極１３ａ、１３ｂと、各側面にそれぞれ２つずつ長手方向に沿ってかつ厚み方向に分離して設けられた側面電極１４ａ〜１４ｄとを有する。本実施例の主面電極１３ａ、１３ｂは、検出用振動腕４の先端部分の穿設されたスルーホール１５を通して設けられた配線１６によって互いに電気的に接続されている。また、これら主面電極１３ａ、１３ｂ及び側面電極１４ａ〜１４ｄは、それぞれ基部２上面に設けられた電極パッド１７、１８に配線されており、これらを介して後述する検出回路に接続される。
【００２１】
検出用振動腕４が主面に垂直な方向即ちＺ軸方向に屈曲すると、その伸縮によって図１（Ｂ）に示すように、一方の側面電極からそれに隣接する主面電極に向けて及び該主面電極から隣接する他方の側面電極に向けて電界が、上下主面間で互いに逆向きに発生する。このとき各電極間に発生する電位差は、図２（Ａ）に示すようにオペアンプ１９を用いた差動回路からなる検出回路２０により検出することができる。検出回路２０は、主面電極１３ａ、１３ｂを接地電位にして回路構成を簡単にしつつ、互いに対向する側面電極１４ａ、１４ｃ及び１４ｂ、１４ｄ間の電位差をそれぞれ検出することによって、検出用振動腕４のＺ軸方向の振動を求めることができる。
【００２２】
他方、検出用振動腕４が主面と同じ面内で即ちＸ軸方向に屈曲すると、その伸縮によって図１（Ｃ）に示すように、対向する側面電極からそれに隣接する各主面電極に向けて又はその逆向きに電界が、上下主面間で同じ向きに発生する。同様に、この電位差は、図２（Ｂ）に示すオペアンプ２１を用いた差動回路からなる検出回路２２により検出することができる。検出回路２２は、同様に主面電極１３ａ、１３ｂを接地電位にして回路構成を簡単にしつつ、各主面電極１３ａ、１３ｂとそれに隣接する両側面電極１４ａ、１４ｃ又は１４ｂ、１４ｄ間の電位差をそれぞれ検出することによって、検出用振動腕４のＸ軸方向の振動を求めることができる。
【００２３】
前記駆動電極に所定の交流電圧を印加して駆動用振動腕３をＸ軸方向に屈曲振動させた状態で、音叉型水晶振動片１がＹ軸周り又はＺ軸周りに回転すると、その回転方向及び回転角速度に対応して検出用振動腕４がＺ軸方向又はＸ軸方向に振動する。従って、各主面電極１３ａ、１３ｂ及び各側面電極１４ａ〜１４ｄから出力される電圧信号を検出回路２０、２２により検出することによって、それらの極性の組合せにより検出用振動腕４の振動方向即ち音叉型圧電振動片１の回転の向きが、及び出力信号のレベルにより振動の大きさ即ち回転の速度が求められる。
【００２４】
図３は、本発明の第２実施例による音叉型水晶振動片の検出用振動腕４を示している。第２実施例の検出用振動腕４は、上下主面にそれぞれ長手方向の溝２３が形成され、かつその内面に主面電極１３ａ、１３ｂが設けられている点において、図１の第１実施例と異なる。本実施例においても、図２（Ａ）（Ｂ）の検出回路２０、２２を用いて、音叉型圧電振動片１のＹ軸周り又はＺ軸周りの回転を、その向き及び速度と共に検出する。本実施例の検出用振動腕４は、長手方向溝２３を設けたことによって屈曲振動による電界が各主面に対して平行に発生するので、電界効率の大幅な向上及びＣＩ値の抑制により振動をより高精度にかつ確実に検出することができる。
【００２５】
図４は、本発明の第３実施例による音叉型水晶振動片の検出用振動腕４を示している。第３実施例の検出用振動腕４は、上下各主面にそれぞれ２つの主面電極１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２が、その幅方向に分離して設けられている点において、図１の第１実施例と異なる。これに対応して、幅方向に同じ側の主面電極１３ａ１、１３ｂ１及び１３ａ２、１３ｂ２同士が、スルーホール１５を通る配線１６ａ、１６ｂにより互いに電気的に接続されると共に、基部２に設けられた別個の電極パッド１７ａ、１７ｂにそれぞれ配線されている。
【００２６】
更に本実施例の場合、検出回路２２は、各主面電極１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２がそれぞれ隣接する側面電極１４ａ〜１４ｄと同じオペアンプ２１に接続されるように変更する。他方検出回路２０は、同様に各主面電極１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２が接地され、かつ対向する側面電極１４ａ〜１４ｄ間の電位差を検出できればよいので、第１実施例の場合と全く同じ構成でよい。このように側面電極毎に対応する主面電極を個別に設けることによって、両者間の電位差を個別により正確に検出することができる。
【００２７】
図５は、本発明の第４実施例による音叉型水晶振動片の検出用振動腕４を示している。第４実施例の検出用振動腕４は、上述した第２実施例と第３実施例とを組み合わせた構成からなり、上下主面にそれぞれ長手方向の溝２３が形成されると共に、各溝２３の内面にはそれぞれ２つの幅方向に分離した主面電極１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２が設けられている。検出回路２０、２２は、第３実施例の場合と同様に構成される。本実施例によれば、長手方向溝２３により主面に対して平行な電界が発生し、かつ各側面電極と対応する主面電極間の電位差を個別にすることによって、振動をより高精度かつ確実に検出することができる。
【００２８】
上述した本発明による各実施例の音叉型水晶振動片は、いずれも従来のフォトリソグラフィ技術を利用した製造工程をそのまま用いて、特別な技術や工程を追加することなく、製造することができる。検出用振動腕４の前記主面電極は、駆動用振動腕３の主面に第１駆動電極６ａを形成する際に、それと同時に電極材料を水晶ウエハの表面に成膜しかつパターニングすることによって、形成することができる。第２及び第４実施例において検出用振動腕４の主面に設けられる長手方向溝２３は、同様に、駆動用振動腕３の主面に長手方向溝５をフォトエッチングにより形成する際に、同時に形成することができる。
【００２９】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明はその技術的範囲において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、水晶以外にＬｉＴａＯ_３　等の圧電材料からなる音叉型圧電振動片についても、本発明を適用することができる。また、圧電振動ジャイロ用の音叉型圧電振動片は、従来から様々な形態のものが提案されているが、基部とそれから延出する駆動用及び検出用振動腕を有する限り、あらゆる形態の音叉型圧電振動片について同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）図は、本発明の第１実施例による音叉型水晶振動片の検出用振動腕を示す部分平面図、（Ｂ）図は、そのＩ−Ｉ線における断面を、検出用振動腕がＺ軸方向に振動する場合について示す拡大断面図、（Ｃ）図は、検出用振動腕がＸ軸方向に振動する場合について示す（Ｂ）図と同様の拡大断面図。
【図２】（Ａ）図は、図１の検出用振動腕がＺ軸方向に振動する場合の検出回路を示すブロック回路図、（Ｂ）図は、同じく検出用振動腕がＸ軸方向に振動する場合の検出回路を示すブロック回路図。
【図３】（Ａ）図は本発明の第２実施例による音叉型水晶振動片の検出用振動腕を示す部分平面図、（Ｂ）図はそのＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面を、検出用振動腕がＺ軸方向に振動する場合について示す拡大断面図、（Ｃ）図は検出用振動腕がＸ軸方向に振動する場合について示す（Ｂ）図と同様の拡大断面図。
【図４】（Ａ）図は本発明の第３実施例による音叉型水晶振動片の検出用振動腕を示す部分平面図、（Ｂ）図はそのＩＶ−ＩＶ線における断面を、検出用振動腕がＺ軸方向に振動する場合について示す拡大断面図、（Ｃ）図は検出用振動腕がＸ軸方向に振動する場合について示す（Ｂ）図と同様の拡大断面図。
【図５】（Ａ）図は本発明の第４実施例による音叉型水晶振動片の検出用振動腕を示す部分平面図、（Ｂ）図はそのＶ−Ｖ線における断面を、検出用振動腕がＺ軸方向に振動する場合について示す拡大断面図、（Ｃ）図は検出用振動腕がＸ軸方向に振動する場合について示す（Ｂ）図と同様の拡大断面図。
【図６】圧電振動ジャイロに使用する音叉型水晶振動片の典型例を示す概略斜視図。
【図７】（Ａ）図は従来技術による図６の駆動用振動腕を示す部分平面図、（Ｂ）図はそのＶＩＩ−ＶＩＩ線における拡大断面図。
【図８】（Ａ）図は従来技術による図６の検出用振動腕を示す部分平面図、（Ｂ）図はそのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における拡大断面図。
【図９】従来技術による検出電極の別の構造を示す図８（Ｂ）と同様の拡大断面図。
【符号の説明】
１：音叉型水晶振動片、２：基部、３：駆動用振動腕、４：検出用振動腕、５：溝、６ａ：第１駆動電極、６ｂ：第２駆動電極、７ａ：第１検出電極、７ｂ：第２検出電極、８・９：電極パッド、１０：Ｙ軸、１１ａ・１１ｂ：検出電極、１２：Ｚ軸、１３ａ・１３ａ１・１３ａ２・１３ｂ・１３ｂ１・１３ｂ２：主面電極、１４ａ〜１４ｄ：側面電極、１５：スルーホール、１６・１６ａ・１６ｂ：配線、１７・１７ａ・１７ｂ・１８：電極パッド、１９・２１：オペアンプ、２０・２２：検出回路、２３：溝

Claims (6)

1. 基部と、
   前記基部から延出する駆動用振動腕と、
   前記基部から延出する検出用振動腕と、
   前記駆動用振動腕に設けられた駆動電極と、
   前記検出用振動腕に設けられた検出電極とを備え、
   前記検出電極が、前記検出用振動腕の各側面にそれぞれ２つずつ厚み方向に分離した側面電極と、その各主面にそれぞれ設けられた主面電極とからなることを特徴とする音叉型圧電振動片。
2. 前記検出用振動腕の前記主面電極が、それぞれ前記各主面の幅方向に分離した２つの主面電極からなることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動片。
3. 前記検出用振動腕がその各主面に形成された長手方向の溝を有し、かつ前記主面電極が前記長手方向溝の内面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の音叉型圧電振動片。
4. 水晶振動片であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の音叉型圧電振動片。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の音叉型圧電振動片と、前記検出電極の前記各主面電極とそれに隣接する前記側面電極間の電位差を測定する検出回路とを備えることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
6. 前記各主面電極が接地されていることを特徴とする請求項５に記載の圧電振動ジャイロ。

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