JP2005043305A

JP2005043305A - 双音さ型圧電振動子

Info

Publication number: JP2005043305A
Application number: JP2003279936A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sato; 健二佐藤; Atsushi Ono; 淳小野
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: JP4314919B2

Abstract

【課題】製造バラツキ度合に影響を受けずに周波数離調した双音さ型水晶振動子を提供する。
【解決手段】駆動モードにおける共振周波数は駆動部１３、特に中央部分の質量に依存すると共に検出モードにおける共振周波数は前記検出部１７、１９の幅Ｗ３の大きさに依存する（特許文献１の図３を参照。）という関係性を利用し、前記検出部１７、１９の製造仕上り寸法での検出モードにおける共振周波数を基準にし、振動の変位量が大きい駆動部１３の中央部分、即ち前記アーム部１１ａ及び１１ｂに配設する駆動電極１２ａ及び１２ｂの中央部分に追加蒸着することで駆動部１３の質量が増加し駆動モードにおける共振周波数を下げる、若しくはトリミングを施すことで駆動部１３の質量が減少し駆動モードにおける共振周波数を上げることで所望の離調周波数にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コリオリ力を利用する圧電振動ジャイロに用いる双音さ型圧電振動子に関するものである。

物体の回転運動、すなわち角速度を検出するセンサとして、ジャイロが良く知られている。ジャイロは、取り付ける位置と回転中心との距離の影響を受けることなく、角速度を知ることができる応用範囲の広いセンサである。最近では圧電振動子、特に水晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの小型化、高精度化及び表面実装化が進み様々な分野でその応用範囲を広げている。

従来の圧電振動ジャイロに用いる水晶振動子として、例えば本発明者により特願２００２−２６４８７２号で提案されたようなものがあり、図２は双音さ型水晶振動子の外観図を示したものである。なお、図２の紙面と平行な面が水平面（取付面）となっている。
図２に示すように水晶振動子１は、基板主面の法線方向が結晶Ｚ軸方向となるようにカットしたＺ板水晶薄片をウェットエッチング加工によって双音さ形状に形成し、その表面に蒸着やスパッタリングにより所定の電極を形成したものであって、一対の短冊状のアーム部１１ａ及び１１ｂと該アーム部１１ａ及び１１ｂの表面に形成した駆動電極１２ａ及び１２ｂとを有する駆動部１３と、前記駆動部１３の両端を支持すると共に前記駆動電極１２ａ及び１２ｂに接続するリード電極１３ａを備える第１及び第２の双音さ支持部１４及び１５と、第１の検出電極１６ａ及び１６ｂを有し前記第１の双音さ支持部１４を介して前記アーム部１１ａ及び１１ｂの振動を検出する第１の検出部１７と、第２の検出電極１８ａ及び１８ｂを有し前記第２の双音さ支持部１５を介して前記アーム部１１ａ及び１１ｂの振動を検出する第２の検出部１９と、前記第１の検出部１７の一端を支持すると共に前記第１の検出電極１６ａ及び１６ｂに接続する一対の引き出し電極２０ａ及び２０ｂを有する第１の支持固定部２１と、前記第２の検出部１９の一端を支持すると共に前記第２の検出電極１８ａ及び１８ｂに接続する一対の引き出し電極２２ａ及び２２ｂとを有する第２の支持固定部２３と、を備えている。なお、図２において図示した駆動電極と第１及び第２の検出電極と引き出し電極の電極パターンとリード電極の電極パターンとは裏面にも同様な電極パターンが形成され、側面のパターンを介して接続されている。
また、第１及び第２の支持固定部は接着材等で水晶振動子１のパッケージ等の取り付け面（水平面）に固定されて使用することとなるが、ここでは図示を省略する。

前記圧電振動ジャイロ（前記水晶振動子１）は、次のように動作する。
まず、非回転時の状態において、前記駆動電極１２ａ及び１２ｂ間に駆動信号を与えると、前記アーム部１１ａ及び１１ｂは面内対称屈曲１次振動モードと呼ばれる屈曲振動（駆動モード）が発生する。このときアーム部１１ａ及び１１ｂは互いに図中左右対称に振動する（特許文献１の図２（ａ）を参照。）。
そこで、この駆動モードで振動している振動ジャイロセンサに結晶Ｚ軸周りの角速度（回転）を与える。すると、アーム部１１ａ及び１１ｂのそれぞれには一方がY方向（図中上向き）、他方がＹ方向（図中下向き）のコリオリ力が働く。この結果、前記左右相反するコリオリ力によってアーム部１１ａ及び１１ｂは面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（検出モード）が発生する（特許文献１の図２（ｂ）を参照。）。

前記水晶振動子１は、振動特性の向上や漏れ出力等の防止のために、平面外形形状及び駆動部、検出部の電極が該水晶振動子１の重心を通るＺ軸に対して対称となるように設計・製作される。しかし製造バラツキがあるため、駆動モード及び検出モードにおける共振周波数の差、即ち離調周波数を目標値まで調整（周波数離調）する必要がある。
周波数離調方法として、例えば特開２００３−２８６４５号公報で開示されたようなものがあり、水晶ウェハをエッチングして複数の音叉状水晶片（平面外形形状が凹状になる。）を有する一体化音叉状水晶片（以下「一体化水晶片」と称す。）を形成し、該一体化水晶片から一部の音叉状水晶片を抜き取って駆動電極及びセンサ電極（検出電極）を形成して初期の離調周波数Δｆ１を測定し該離調周波数Δｆ１に基づいてエッチング時間を設定した上で、一体化水晶片をエッチング液に投入し一括エッチング加工を施すことで、各音叉状水晶片の周端面、特に（音叉を構成する一対の）腕部夫々の幅を小さくすることで離調周波数Δｆを制御する方法がある。
特願２００２−２６４８７２号特開２００３−２８６４５号公報

前記周波数離調方法では前記一体化水晶片に形成された各音叉状水晶片の製造バラツキ方向及び量が一定である（前記腕部夫々の幅が同一に大きくなっている。）ことが前提になるが、実際のエッチング加工ではエッチング液の濃度管理やエッチング液への投入方法等により、そのようなことは有り得ない。つまり対をなす腕部の夫々の幅が小さくなる場合や一方が大きく他方が小さくなる場合がある。即ち、前記周波数離調方法は前記水晶振動子１を所望の離調周波数に調整することができない。
つまり、解決しようとする問題点は、製造バラツキ度合に影響を受けずに周波数離調した双音さ型水晶振動子を提供することができない点である。

上記課題を解決するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、一対の短冊状のアーム部とその表面に形成した駆動電極とを少なくと有する双音さ型圧電振動子において、前記アーム部のほぼ中央に位置する駆動電極の質量を変動させて周波数離調を施したことを特徴とする。

本発明に係わる請求項２記載の発明は、請求項１において、前記アーム部の駆動電極のいずれか一方に対して周波数離調を施したことを特徴とする。

本発明に係わる請求項３記載の発明は、請求項１又は２において、前記圧電振動子の主面側に配設する前記駆動電極のみで周波数離調を施したことを特徴とする。

本発明に係わる請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記駆動電極の中央部分の質量を蒸着によって増大させたことを特徴とする。

本発明に係わる請求項５記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記駆動電極の中央部分の質量を電極削除によって減少させたことを特徴とする。

本発明は、駆動モードにおける共振周波数のみを調整することで周波数離調した双音さ型圧電振動子であって、該圧電振動子が有する双音さを構成するアーム部の駆動モードにおける振動バランスを保ち安定した共振特性を有する双音さ型圧電振動子を提供することができるという利点がある。

以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態の双音さ型水晶振動子の外観図を示したものである。なお、図１の紙面と平行な面が水平面（取付面）となっている。
本実施形態の水晶振動子が従来例と異なる点は、前記アーム部の略中央に配設する金属薄膜、即ち駆動電極の中央部分（図１中二点鎖線部分）に追加蒸着（重み付け）又はイオンエッチングやレーザーによる金属薄膜のトリミング（削除）を施し駆動電極の質量を変動させて周波数離調した点にある。
本発明に係わる周波数離調方法は、駆動モードにおける共振周波数は駆動部１３、特に中央部分の質量に依存すると共に検出モードにおける共振周波数は前記検出部１７、１９の幅Ｗ３の大きさに依存する（特許文献１の図３を参照。）という関係性を利用し、前記検出部１７、１９の製造仕上り寸法での検出モードにおける共振周波数を基準にし、振動の変位量が大きい駆動部１３の中央部分、即ち前記アーム部１１ａ及び１１ｂに配設する駆動電極１２ａ及び１２ｂの中央部分に追加蒸着することで駆動部１３の質量が増加し駆動モードにおける共振周波数を下げる、若しくはトリミングを施すことで駆動部１３の質量が減少し駆動モードにおける共振周波数を上げることで所望の離調周波数にする。

前記アーム部１１ａ及び１１ｂの駆動モードにおける振動が不均衡であった場合、例えばアーム部１１ａが有する共振周波数を基準にしアーム部１１ｂに配設する駆動電極１２ｂの中央部分の質量を調整、即ちアーム部それぞれの共振周波数を平衡にし、所望の離調周波数でなければ、改めて前記の如く周波数離調しても構わない。また、駆動電極の中央部分であれば、主面側及び側面側の駆動電極のどちらでも構わない。

本発明は、水晶振動子のみに限定するものではなくランガサイト、四方酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等のその他の圧電材からなる振動子に適用できることは云うまでもない。

本発明に係る双音さ型水晶振動子の構造を示した概略構成図である。従来の水晶振動子の概略構成図である。。

符号の説明

１・・水晶振動子１１ａ、１１ｂ・・アーム部
１２ａ、１２ｂ・・駆動電極１３・・駆動部
１３ａ・・リード電極
１４・・第１の双音さ支持部１５・・第２の双音さ支持部
１６ａ、１６ｂ・・第１の検出電極１７・・第１の検出部
１８ａ、１８ｂ・・第２の検出電極１９・・第２の検出部
２０ａ、２０ｂ・・引き出し電極２１・・第１の支持固定部２１
２２ａ、２２ｂ・・引き出し電極２３・・第２の支持固定部

Claims

一対の短冊状のアーム部とその表面に形成した駆動電極とを少なくと有する双音さ型圧電振動子において、
前記アーム部のほぼ中央に位置する駆動電極の質量を変動させて周波数離調を施したことを特徴とする双音さ型圧電振動子。
前記アーム部の駆動電極のいずれか一方に対して周波数離調を施したことを特徴とする請求項１に記載の双音さ型圧電振動子。
前記圧電振動子の主面側に配設する前記駆動電極のみで周波数離調を施したことを特徴とする請求項１又は２に記載の双音さ型圧電振動子。
前記駆動電極の中央部分の質量を蒸着によって増大させたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の双音さ型圧電振動子。
前記駆動電極の中央部分の質量を電極削除によって減少させたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の双音さ型圧電振動子。