JP2005156457A - 振動子、電子機器および物理量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動子に印加される電圧が大きく変化したときに、振動子の破損や変形による電子機器の故障を防止する。
【解決手段】 駆動振動が励振されるべき振動子１Ａを提供する。振動子１Ａは、駆動振動モードの振動Ａの共振周波数をｆｄ（Ｈｚ）とし、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードの共振周波数をＺ（Ｈｚ）としたとき、以下の関係が満足されていることを特徴とする： ｜Ｚ−ｆｄ／２｜≦２５０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動子、これを用いた発振器、および振動型ジャイロスコープ等の物理量測定装置に関するものである。

車体制御システムにおいては、振動型ジャイロスコープおよびその振動子は、幅広い環境温度、即ち高温と低温とにさらされる。このような使用温度範囲は、通常は−４０℃−＋８５℃の範囲にわたっており、一層厳しい仕様では更に広い温度範囲にわたる場合もある。特に、振動子を圧電性単結晶によって形成した場合には、圧電性単結晶の有する温度特性の影響がある。本出願人は、特許文献１において、特定形態の雑音の少ない振動型ジャイロスコープを開示した。また、特許文献２において、環境温度が変化した場合に、検出振動のＱ値の変動を抑制するために、振動子を支持部材へと接着する接着剤のｔａｎδを、使用温度範囲内において０．１以下とすることを開示した。また、特許文献２には、特定形状の雑音の少ない振動型ジャイロスコープ用振動子を開示した。
特開２００１−１２９５５号公報 特開２００１−８２９６２号公報

しかし、車載用センサー用途においては、車載電源の電圧に比例して、センサーへの印加電圧が大きく変動する。また、例えば発振器などの電気機器用途においては、電源の異常などによって、一時的に大きな電圧が印加されることがあり、このときに振動子が折れたり、変形することがあった。こうなると、電源の電圧が正常値に回復したときに、振動子の破損や変形によって正常な振動を発振することができない。

本発明の課題は、物理量測定装置や発振器などの電子機器用の振動子において、振動子に印加される電圧が大きく変化したときに、振動子の破損や変形による電子機器の故障を防止できるようにすることである。

第一の発明は、駆動振動が励振されるべき振動子であって、駆動振動モードの振動の共振周波数をｆｄ（Ｈｚ）とし、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードの共振周波数をＺ（Ｈｚ）としたとき、以下の関係が満足されていることを特徴とする。
｜Ｚ−ｆｄ／２｜≦２５０
また、本発明は、この振動子を備えていることを特徴とする、電子機器に係るものである。

第二の発明は、振動子、振動子に駆動振動を励振する駆動手段および振動子に加わる物理量に応じて振動子に励振される検出振動を検出する検出手段を備えている物理量測定装置であって、振動子が実質的に平面に沿って形成されており、駆動手段が設けられた駆動振動片、検出手段が設けられた検出振動片、駆動振動片と検出振動片との間に設けられた基部、基部と駆動振動片とを接続する細長い接続部を備えており、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードにおいて、接続部がその基部への付け根を中心として平面外に屈曲振動し、駆動振動片がその接続部への付け根を中心として平面外に屈曲振動し、接続部の屈曲振動の平面に対する位相と駆動振動片の屈曲振動の平面に対する位相とが互いに同相であることを特徴とする。

第一、第二の発明によれば、振動子に印加される電圧が一時的に大きく増大したときに、振動子に、駆動振動の共振周波数ｆｄの半分（ｆｄ／２）に近い周波数の振動によって、後述する共振潰れ現象を起こさせ、これによって振動子の破損や折れ、変形を防止することができる。これによって、振動子の破損や変形による電子機器の故障を防止できる。

好適な実施形態においては、振動子が、駆動手段が設けられた駆動振動片、検出手段が設けられた検出振動片、および駆動振動片と検出振動片との間に設けられた基部を備えている。好ましくは、この基部と駆動振動片とを接続する細長い接続部を備えている。特に好ましくは、図１〜３に示すように、振動子が実質的に平面に沿って形成されており、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードにおいて、接続部がその基部への付け根を中心として平面外に屈曲振動し、駆動振動片がその接続部への付け根を中心として平面外に屈曲振動し、接続部と駆動振動片との屈曲振動の平面に対する位相が同相である。以下はこの実施形態を中心として本発明を説明するが、本発明はこの型の振動子のみに限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る振動子１Ａ（駆動振動モード）を概略的に示す平面図である。図２は、振動子１Ａの検出振動モードの振動を示す平面図である。また、図３は、非振動時の振動子１Ａを概略的に示す斜視図である。
本例の振動子１Ａは、基部２と、基部２から突出する一対の検出振動片１３Ａ、１３Ｂと、基部２から突出する一対の接続部５と、各接続部５の先端に設けられている各駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄとを備えている。各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。溝内に駆動電極１９が形成されている。各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔１７が形成されている。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。溝内に検出電極２０が形成されている。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部１６Ａ、１６Ｂが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔１８が形成されている。

図１には駆動モードの振動を示す。駆動時には、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄが、それぞれ、接続部５への付け根２１を中心として矢印Ａのように屈曲振動する。この状態で振動子１Ａを、振動子１Ａに略垂直に延びる回転軸Ｚの周りに回転させる。すると、図２に示すように、接続部５が固定部２への付け根５ａを中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。各検出振動片１３Ａ，１３Ｂが、それぞれ、その反作用によって、固定部２への付け根を中心として、矢印Ｃのように屈曲振動する。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂにおいて発生した電気信号に基づいて、Ｚ軸を中心とする回転角速度を算出する。

本発明者は、図１〜図３に示すような振動子を用いた振動型ジャイロスコープをパッケージ基板上にワイヤーボンディングによって支持し、種々の条件下で回転角速度の検出実験を行った。このとき、同様の振動子を使用した場合でも、支持状態によっては、特定温度範囲でクリスタルインピーダンスにピークが生ずることを見いだした。このプロセスを具体的に述べる。図４に示すように、振動子をインピーダンスアナライザで測定すると、クリスタルインピンダースのピークの先端が平坦になるという現象が見られた。これを「共振潰れ現象」と呼ぶ。

共振潰れ現象（電流）が観測された上記のような試料について、レーザードップラー測定を行った。図５はこの結果を示す。図５の画面において、上側のグラフはドップラー出力であり、下側のグラフは駆動電圧である。駆動電圧の約１／２の周波数（ｆｄ／２）を有するドップラー出力が得られることが判る。これに対して、正常に動作する振動型ジャイロスコープにおいては、図６に示すように、駆動信号と、レーザードップラ計の出力信号とは周波数が等しくなり、駆動信号の約１／２の周波数を有するドップラー出力は観測されない。

本発明者は、このような（ｆｄ／２）に近い周波数を有する振動モードについて振動モード解析を行い、次の知見を得た。即ち、図１〜図３に示すような振動子（非支持時）には、図７の斜視図および図８の平面図に図示するような振動モードが存在していた。この振動モードにおいては、細長い接続部５が基部２への付け根を中心として矢印ＤのようにＺ軸方向（回転軸方向）へと向かって屈曲振動する。これと同時に、各駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが、それぞれ、接続部５の先端を付け根として矢印ＥのようにＺ軸方向に屈曲振動する。そして、矢印Ｄの屈曲振動と、矢印Ｅの屈曲振動とは振動子平面に対して同相であり、かつ周波数が等しい。これと同時に、各検出振動片１３Ａ、１３Ｂがその基部への付け根１３ａを中心としてＺ軸方向へと矢印Ｆのように屈曲振動する。矢印Ｆの屈曲振動は、矢印Ｄ、Ｅの屈曲振動とは周波数が等しく、かつ振動子平面に対して逆相である。

これに対して、振動子１Ａをワイヤーボンディングによって支持すると，支持状態によっては、図８、図９に矢印Ｄ、Ｅで示すような振動モードが発生した。この振動モードは、図７に示す振動モードＤ、Ｅ、Ｆのうち、駆動振動片および接続部の振動Ｄ、Ｅのみが分離したものである。具体的には、細長い接続部５が基部２への付け根を中心として矢印ＤのようにＺ軸方向（回転軸方向）へと向かって屈曲振動する。これと同時に、各駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが、それぞれ、接続部５の先端を付け根として矢印ＥのようにＺ軸方向に屈曲振動する。そして、矢印Ｄの屈曲振動と、矢印Ｅの屈曲振動とは振動子平面に対して同相であり、かつ周波数が等しい。図９の屈曲振動モードは、振動子を支持することによって出現し、ｆｄ／２に近い共振周波数を有していることが判明した。

そして、このような振動モードの共振周波数Ｚをｆｄ／２に接近させ、高電圧印加時に前記の共振潰れ現象を発生させることによって、振動子の破損や折れを防止できることを見いだし、本発明に到達した。

ｆｄ／２とＺとの差を制御するためには、以下の方法がある。
（１） 駆動振動の共振周波数を変更する。
（２） ｆｄ／２に最も近い周波数を有する振動モードの共振周波数Ｚを変更する。このためには、振動子を支持する際の支持位置、支持手段（例えばワイヤーボンディング）の幅、厚さ、形状、長さ、本数を変更することが考えられる。

振動子は複数箇所で支持してもよい。これは振動子と支持手段との接触部分が複数あることを意味している。支持手段は特に限定されず、ボンディングワイヤー、柱、棒、ピンなどであってよい。支持手段の材質も限定されず、金属、樹脂、接着剤、金属−樹脂複合材料であってよいが、金属が特に好ましい。特に好ましい材質は以下のものである。
銅、金、アルミ、銀、タングステン、ステンレス、鉄、ニッケル、錫、真鍮またはそれらの合金。これらの金属、合金にはメッキ等が施されていてもよい、例えば金メッキが施された銅箔が特に好ましい。

振動子の基板への固定方法は特に限定されない。例えば好適な実施形態においては、振動子を、基板に直接接触しない状態で支持する。これによって振動子の振動の阻害を防止する。好適な実施形態においては、振動子と基板との間隔は、０．１ｍｍ以上であり、更に好ましくは０．２ｍｍ以上である。この場合には、ボンディングワイヤによって振動子を基板上に支持することができる。このボンディングワイヤの振動子への接合方法は限定されないが、超音波ボンディング、スポット溶接、導電性接着剤、半田付けが好ましい。

振動子の材質は限定されないが、圧電単結晶が好ましく、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、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が特に好ましい。

振動子の寸法は限定されないが、振動子の幅を１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。また、同様の観点からは、振動子の重量を５ｍｇ以下とすることが好ましく、１ｍｇ以下とすることが一層好ましい。また、振動子の厚さを０．３ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２ｍｍ以下とすることが更に好ましい。

本発明の振動子は、振動子からの発振信号を利用する種々の電子機器に対して利用可能である。例えば、振動子からの発振信号を周波数標準として利用する発振器や、振動子からの検出信号を利用して物理量の検出に利用する物理量測定装置に利用できる。この物理量は、特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子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対象とする。こうした物理量としては、振動子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、測定装置としては振動型ジャイロスコープ等の慣性センサーが好ましい。

なお電源の異常の場合に、例えば電圧に対する電流値を監視する回路を付加しておくことによって、電源の異常を検出できる。

（実施例１）
図１〜図３に示す振動子１Ａを使用した。具体的には、厚さ０．１ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、厚さ１００オングストロームのクロム膜と、厚さ１５００オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。
このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子１Ａの外形を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ１００オングストロームのクロム膜上に厚さ２０００オングストロームの金膜を電極膜として形成した。振動子１Ａの寸法は、縦２．０ｍｍ、横２．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍであり、重量は約０．３ｍｇであった。

振動子１Ａをパッケージに実装した。基板はアルミナセラミックスによって形成し、接点パッドは金によって形成し、枠体はＳＵＳによって形成した。ボンディングワイヤは、銅膜線を金によってメッキすることで製造した。銅膜線の厚さを0.014ｍｍとし、幅を0.0５ｍｍとした。銅膜線の本数は6本である。振動子１Ａの基部２をボンディングワイヤに対して超音波ボンディングによって接合し、基板上に固定した。

得られた振動型ジャイロスコープを温度試験槽に入れた。自励発振回路を用いて駆動振動を生じさせ、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードを探索した。各振動モードの各共振周波数をインピーダンスアナライザを用いて測定し、結果を表１に示す。印加電圧を１．０ボルトから１０．０ボルトまで順次上昇させた。この結果、印加電圧が２．９ボルト以上のとき、−４０〜８５℃で共振潰れ現象が発生した。そして印加電圧１０．０ボルトまで、振動子の破損は生じなかった。

（比較例１）
実施例１と同様にして振動子１Ａを使用した。ただし、振動子１Ａの寸法は、縦２．０ｍｍ、横２．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍであり、重量は約０．３ｍｇであった。また、銅膜線の厚さを０．０１４ｍｍとし、幅を０．０３ｍｍとし、また形状を変更した。銅膜線の本数は６本である。

各振動モードの各共振周波数をインピーダンスアナライザを用いて測定し、結果を表１に示す。印加電圧を１．０ボルトから１０．０ボルトまで順次上昇させた。この結果、印加電圧５．９ボルトで振動子の破損が生じた。−４０℃〜＋８５℃で共振潰れ現象は生じなかった。

（実施例２）
実施例１と同様の方法で、図１０、図１１に示すような二本音叉型の振動子２２を作製した。振動子２２は、基部２３と、二本の細長い平行に延びる音叉状振動片２４Ａ、２４Ｂを備えている。各振動片２４Ａ、２４Ｂの付け根付近には細長い溝が設けられており、各溝中に駆動電極２５Ａ、２５Ｂが形成されている。駆動時には、自励発振回路によって、各駆動電極２５Ａ、２５Ｂに交流電圧を印加し、図１１に矢印Ｊで示すように、各振動片２４Ａ、２４Ｂを、Ｘ−Ｙ平面内で屈曲振動させる。

ここで、振動子２２の厚さを０．０５ｍｍとし、振動片の長さｍを１．４ｍｍとし、振動片の幅ｔを０．０９６ｍｍとし、駆動電極の長さｎを０．８ｍｍとした。自励発振回路を用いて駆動振動を生じさせ、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードを探索した。この結果、図１２に矢印Ｋで示すように、Ｚ方向へと屈曲振動する振動モードが見いだされた。各振動モードの各共振周波数をインピーダンスアナライザを用いて測定し、結果を表１に示す。印加電圧を１．０ボルトから１０．０ボルトまで順次上昇させた。この結果、印加電圧が１．５ボルト以上で、−４０℃〜８５℃で共振潰れ現象が発生した。そして印加電圧１０．０ボルトまで、振動子の破損は生じなかった。

（実施例３）
実施例２と同様の方法で振動子２２を作製した。振動子２２の厚さを０．１１ｍｍとし、振動片の長さｍを１．８ｍｍとし、振動片の幅ｔを０．１４ｍｍとし、電極の長さｎを０．８ｍｍとした。各電極の形成されている溝の深さを５０μｍとした。実施例２と同様に、印加電圧を１．０ボルトから１０．０ボルトまで順次上昇させた。この結果、印加電圧が４．３ボルト以上で共振潰れ現象が発生した。そして印加電圧１０．０ボルトまで、振動子の破損は生じなかった。

（比較例２）
実施例２と同様の方法で振動子２２を作製した。振動子２２の厚さを０．０９ｍｍとし、振動片の長さｍを１．８ｍｍとし、振動片の幅ｔを０．１４ｍｍとし、電極の長さｎを０．８ｍｍとした。各電極の形成されている溝の深さを４０μｍとした。実施例２と同様に、印加電圧を１．０ボルトから１０．０ボルトまで順次上昇させた。この結果、印加電圧が６．２ボルトで振動子が破損した。−４０℃〜＋８５℃で共振潰れ現象は見られなかった。

以上述べたように、本発明によれば、振動子に印加される電圧が大きく変化したときに、振動子の破損や変形による電子機器の故障を防止できる。

振動子１Ａの駆動モードの振動を示す平面図である。 振動子１Ａの検出振動モードの振動を示す平面図である。 振動子１Ａ（非振動時）を概略的に示す斜視図である。 クリスタルインピンダースと周波数および位相との関係を示すグラフである。 共振潰れ現象（電流）が観測された試料についてのレーザードップラー測定結果を示すグラフである。 正常に動作する振動型ジャイロスコープにおいて、レーザードップラー測定結果を示すグラフである。 振動子１Ａの非支持時の不要な振動モードを示す斜視図である。 図７および図９の振動モードを示す平面図である。 ｆｄ／２に近い周波数を有する振動モードを示す斜視図である。 本発明の他の実施形態で使用する振動子２２を概略的に示す斜視図である。 図１０の振動子２２の駆動振動モードを示す斜視図である。 図１０の振動子２２において、ｆｄ／２に近い周波数を有する振動モードを示す斜視図である。

符号の説明

１Ａ、２２ 振動子 ２ 基部 ５ 接続部 １３Ａ、１３Ｂ 検出振動片 １４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、２４Ａ、２４Ｂ 駆動振動片 Ａ、Ｊ 駆動振動モード Ｂ、Ｃ 検出振動モード Ｄ、Ｅ，Ｋ ｆｄ／２に近い周波数を有する振動モード Ｚ 回転軸

Claims (8)

1. 駆動振動が励振されるべき振動子であって、
   前記駆動振動モードの振動の共振周波数をｆｄ（Ｈｚ）とし、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードの共振周波数をＺ（Ｈｚ）としたとき、以下の関係が満足されていることを特徴とする、振動子。
   ｜Ｚ−ｆｄ／２｜≦２５０
2. 駆動手段が設けられた駆動振動片、検出手段が設けられた検出振動片、および前記駆動振動片と前記検出振動片との間に設けられた基部を備えていることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
3. 前記基部と前記駆動振動片とを接続する細長い接続部を備えていることを特徴とする、請求項２記載の振動子。
4. 前記振動子が実質的に平面に沿って形成されており、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードにおいて、前記接続部がその前記基部への付け根を中心として前記平面外に屈曲振動し、前記駆動振動片がその接続部への付け根を中心として前記平面外に屈曲振動し、前記接続部の屈曲振動の前記平面に対する位相と前記駆動振動片の屈曲振動の前記平面に対する位相とが互いに同相であることを特徴とする、請求項３記載の振動子。
5. 請求項１〜４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、電子機器。
6. 前記電子機器が物理量測定装置であり、前記振動子に加わる物理量に応じて前記振動子に励振される検出振動を検出する検出手段を備えていることを特徴とする、請求項５記載の電子機器。
7. 発振器であることを特徴とする、請求項５記載の電子機器。
8. 振動子、前記振動子に駆動振動を励振する駆動手段および前記振動子に加わる物理量に応じて前記振動子に励振される検出振動を検出する検出手段を備えている物理量測定装置であって、
   前記振動子が実質的に平面に沿って形成されており、前記駆動手段が設けられた駆動振動片、前記検出手段が設けられた検出振動片、前記駆動振動片と前記検出振動片との間に設けられた基部、前記基部と前記駆動振動片とを接続する細長い接続部を備えており、ｆｄ／２に最も近い共振周波数を有する振動モードにおいて、前記接続部がその前記基部への付け根を中心として前記平面外に屈曲振動し、前記駆動振動片がその接続部への付け根を中心として前記平面外に屈曲振動し、前記接続部の屈曲振動の前記平面に対する位相と前記駆動振動片の屈曲振動の前記平面に対する位相とが互いに同相であることを特徴とする、物理量測定装置。

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