JP2005221361A

JP2005221361A - 振動子および物理量測定デバイス

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Publication number: JP2005221361A
Application number: JP2004029241A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kikuchi; 菊池　　尊行; Seiji Ishikawa; 石川　　誠司
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-02-05
Also published as: JP4356881B2

Abstract

【課題】駆動振動時の励振効率を向上させて振動子の感度を増大させることができ、かつ検出時の不要なノイズを低減できるようにする。
【解決手段】振動子１Ａは所定面（Ｘ−Ｙ面）に沿って形成されている。振動子１Ａは、所定面内で駆動振動する駆動振動片４、駆動振動片４の先端に設けられた幅広部５、所定面内の回転軸Ｙの周りに振動子が回転したときに、振動子の回転角速度に応じて所定面に対して略垂直な方向の検出振動Ｅが励起される検出振動片８、および駆動振動片４と検出振動片８とを連結する基部２Ａを備える。駆動振動片４に溝１０が形成されている。検出振動片８が、所定面に略平行な一対の表面と、これらの表面からそれぞれ所定面に略垂直な方向に突出する一対の細長い突起とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動子および物理量測定デバイスに関するものである。

特許文献１には、所定面に平行なＹ軸と、所定面に垂直なＺ軸との両方の周りの各回転角速度を検出できるようなジャイロセンサが開示されている。
特開平１１−２４８４６５号公報

特許文献１記載の振動子では、駆動電極の周辺に応力が集中しにくく、このために駆動時の効率が低くなり、クリスタルインピーダンスが上がり、検出感度が低下する。また、検出振動片の不要な屈曲振動に起因する検出ノイズも見られる。
また、本出願人は、特許文献２において、Ｙ軸周りの回転角速度を検出可能な振動子を開示した。
特願２００３−９２０７７

しかし、特許文献２においては、所定面に略垂直なＺ軸周りの回転角速度を検出するジャイロは開示されておらず、多軸ジャイロには対応できない。

本発明の課題は、駆動振動時の励振効率を向上させて振動子の感度を増大させることができ、かつ検出時の不要なノイズを低減できるようにすることである。

本発明は、所定面に沿って形成された振動子であって、所定面内で駆動振動する駆動振動片、この駆動振動片の先端に設けられた幅広部、所定面内の回転軸の周りに振動子が回転したときに、この振動子の回転角速度に応じて所定面に対して略垂直な方向の検出振動が励起される検出振動片、および駆動振動片と検出振動片とを連結する基部を備えている。そして、駆動振動片に溝が形成されており、検出振動片が、所定面に略平行な一対の表面と、これらの表面からそれぞれ所定面に略垂直な方向に突出する一対の細長い突起とを備えている。
また、本発明は、この振動子、駆動振動片に駆動振動を励振するための駆動手段、および検出振動片の検出振動に基づく信号を検出する検出手段を備えていることを特徴とする、物理量測定デバイスに係るものである。

本発明によれば、駆動振動片の先端に幅広部を設けることによって、幅広部がない場合に比べて電極周辺へと応力を集中させ、駆動振動片の励振効率を向上させることができ、これによって振動子の感度を上げることができる。これと共に、検出振動片の対向面に一対の細長い突起を設けることによって、振動子に駆動振動を励振したときに検出振動部に発生する不要な振動を抑制でき、これによる検出信号中のノイズを著しく低減できる。

好適な実施形態においては、駆動振動片の幅（ＷＡ）に対する厚さ（ＴＡ）の比率（ＴＡ／ＷＡ）を０．６５以上、０．７５以下とする。これを０．６５以上とすることによって、検出振動のＱ値が向上し、検出電極のインピーダンスを下げることができ、感度が一層向上する。しかし、厚さＴＡが大きくなりすぎると、検出振動の振幅が小さくなり、感度がかえって低下する傾向がある。この観点からは、駆動振動片の幅（ＷＡ）に対する厚さ（ＴＡ）の比率（ＴＡ／ＷＡ）を０．７５以下とすることが好ましい。

また、好適な実施形態においては、基部を所定面に投影したときの縦横比（Ｗ／Ｈ）が２．０〜４．０である。これを２．０以上とすることによって、検出振動のＱ値を向上させ、感度を向上させることができる。この観点からは、Ｗ／Ｈを２．５以上とすることが更に好ましい。また、（Ｗ／Ｈ）が大きくなり過ぎると、基部の変位が大きいなり、検出振動片の変位が実質的に小さくなり、検出感度が低下する傾向がある。この観点からは、Ｗ／Ｈを４．０以下とすることが好ましく、３．５以下とすることが更に好ましい。

図１、図２は、それぞれ、本発明の一実施形態に係る振動子１Ａを備えた振動型ジャイロスコープを概略的に示す斜視図である。図１では、Ｚ軸周りの回転角速度に対応する振動モードを示し、図２では、Ｙ軸周りの回転角速度に対応する振動モードを示す。図３は、駆動電極の形態を示す回路図であり、図４は、検出電極の形態を示す回路図である。

振動子１Ａの基部２Ａは、振動子の重心Ｇを中心として、例えば２回対称の長方形をしている。基部２Ａの２つの短辺からそれぞれ支持部３が突出しており、各支持部３の先端側から支持部３に直交する方向に延びるように一対の駆動振動片４が設けられている。各駆動振動片４の先端は、駆動振動片４よりも幅の大きい幅広部５が設けられている。
また、基部２Ａの２つの長辺からは、それぞれ２本の第一の検出振動片８が延びており、また基部２Ａの２つの長辺の各中央部からは、それぞれ１本の第二の検出振動片６が延びている。各第一の検出振動片８の先端には、それぞれ、検出振動片８よりも幅広い幅広部９が設けられている。また、各第二の検出振動片６の先端には、それぞれ、各検出振動片６よりも幅広い幅広部７が設けられている。

駆動振動片４には、それぞれ、図３に示すように、一対の細長い溝１０が形成されている。すなわち、駆動振動片４は略Ｈ字形状を有しており、一対の基部１５と、一対の基部１５を連結する連結部１４とを備えている。そして、溝１０内には駆動電極１６、１８が形成されており、駆動振動片４の側面４ａ上には各駆動電極１７が形成されている。駆動電極１７と駆動電極１６との間に交流電圧を印加することによって、駆動振動片４を矢印ＡのようにＸ−Ｙ面内で屈曲振動させる。

また、各検出振動片８の断面形態を図４に示す。この検出振動片８は、基部２０Ｃと、基部２０Ｃの表面２０ａから突出する一対の細長い突起２０Ａ、２０Ｂとを備えており、これによって略十字形状をなしている。表面２０ａは所定面（Ｘ−Ｙ面）に対して略平行である。そして、検出振動片８が矢印ＥのようにＺ軸方向に屈曲振動すると、一対の検出電極２１間に起電力が発生するので、この起電力を端子１５で検出する。

また、本例では、第二の検出振動片６の各対向面にもそれぞれ細長い溝１１が形成されており、これによって略Ｈ字形状の横断面形状を有している。

各駆動電極１６、１７、１８に交流電圧を印加し、各駆動振動片４に、Ｘ軸方向の駆動振動Ａを励振する。この状態で、図１に示すように、振動子１ＡをＺ軸を中心として回転させると、各支持部３に、Ｙ軸方向へと向かって、矢印Ｂのように屈曲振動する。これに対応して、各検出振動片６に、矢印ＣのようにＸ−Ｙ面内で屈曲振動が生ずる。この屈曲振動を検出振動とし、検出する。

また、各駆動電極１６、１７、１８に交流電圧を印加し、各駆動振動片４に、Ｘ軸方向の駆動振動Ａを励振する。ここで、この状態で、図２に示すように、振動子１ＡをＹ軸を中心として回転させると、各駆動振動片４に、Ｚ軸方向へと向かって、矢印Ｄのような屈曲振動が励振される。これに対応して、各検出振動片８に、矢印ＥのようにＺ方向で屈曲振動が生ずる。この屈曲振動を検出振動とし、検出する。

本発明においては、振動子が所定面（Ｘ−Ｙ面）内に延びているが、これは厳密に幾何学的意味で所定面内に延びていることを言うものではなく、本技術分野において常識的な値、例えば、厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に振動子が形成されていることを意味する。
本発明の振動子は、少なくとも所定面に沿って延びる回転軸、即ちＸ軸またはＹ軸を中心として回転させるのに使用できる。

図５には、駆動振動片４の横断面の形態を示す。好適な実施形態においては、前述したように、駆動振動片４の幅（ＷＡ）に対する厚さ（ＴＡ）の比率（ＴＡ／ＷＡ）を０．６５以上、０．７５以下とする。

まこ、好適な実施形態においては、基部を所定面に投影したときの縦横比（Ｗ／Ｈ）が２〜４である。例えば図１、図２の振動子１Ａの基部２Ａにおいては、縦横比（Ｗ／Ｈ）が３．０である。これに対して、図６の振動子１Ｂにおいては、基部２Ｂの縦横比（Ｗ／Ｈ）が４．０である。図７の振動子１Ｃにおいては、基部２Ｃの縦横比（Ｗ／Ｈ）が２．０である。

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，Ｔａ）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。

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、この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。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圧電体を取り付ける必要がある。

本発明において測定されるべき物理量は、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、測定装置としては慣性センサーが好ましい。

（実施例１）
図１〜図５に示すような形態を有する振動子１Ａを、ホトリソグラフィーおよびエッチング技術を用いて製造した。ただし、振動子本体は、厚さ０．１ｍｍの水晶基板から作製した。また、各電極は、厚さ０．０３μｍのＣｒ（下地層）と厚さ０．２μｍの電極用Ａｕ膜とから形成した。ただし、各駆動振動片４の厚さ／幅の比率（ＴＡ／ＷＡ）は、表１に示すように種々変更した。得られた振動子に共振周波数４５ｋＨｚの駆動振動を励振した。振動子を回転させることなく、検出信号を計測したところ、２ｍＶのノイズ成分が得られた。また、各振動子をＹ軸周りで回転させたときの検出感度の測定例を表１に示す。

このように、本発明によれば、Ｙ軸周りの回転角速度を高い感度で検出可能であった。特に、厚さ／幅比率を０．６５〜０．７５に調整することによって、感度を一層ピーク的に向上させ得ることを発見した。

（実施例２）
実施例１と同様にして、図１、図６、図７に図示した振動子１Ａ、１Ｂ、１Ｃを作製した。ただし、図１の例では基部の縦横比を３．０とし、図６の例では基部の縦横比を４．０とし、図７の例では基部の縦横比を２．０とした。また、他にも縦横比を適宜変更した。振動子をＹ軸周りに回転させたときの感度を表２に示す。

表２の結果からも分かるように、基部の縦横比を２．０〜４．０とした場合には、比較的に高い感度が得られた。そのなかでも、基部の縦横比を２．５〜３．５とすることによって、一層高い感度が得られることが分かった。

振動子１Ａを示す斜視図であり、回転軸Ｚの周りの回転角速度を検出するための振動モードを示す。振動子１Ａを示す斜視図であり、回転軸Ｙの周りの回転角速度を検出するための振動モードを示す。駆動振動片４の横断面形状と電極パターンを示す図である。検出振動片８の横断面形状と電極パターンを示す図である。駆動振動片４の横断面図である。他の実施形態に係る振動子１Ｂを示す斜視図である。更に他の実施形態に係る振動子１Ｃを示す斜視図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ振動子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ基部４駆動振動片５、７、９幅広部６第二の検出振動片８検出振動片Ａ駆動振動Ｃ第二の検出振動片６における検出振動Ｅ検出振動片８における検出振動

Claims

所定面に沿って形成された振動子であって、前記所定面内で駆動振動する駆動振動片、この駆動振動片の先端に設けられた幅広部、前記所定面内の回転軸の周りに前記振動子が回転したときに、この振動子の回転角速度に応じて前記所定面に対して略垂直な方向の検出振動が励起される検出振動片、および前記駆動振動片と前記検出振動片とを連結する基部を備えており、前記駆動振動片に溝が形成されており、前記検出振動片が、前記所定面に略平行な一対の表面と、これらの表面からそれぞれ前記所定面に略垂直な方向に突出する一対の細長い突起とを備えていることを特徴とする、振動子。
前記駆動振動片の幅（ＷＡ）に対する厚さ（ＴＡ）の比率（ＴＡ／ＷＡ）が０．６５以上、０．７５以下であることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
前記基部を所定面に投影したときの縦横比（Ｗ／Ｈ）が２．０〜４．０であることを特徴とする、請求項１または２記載の振動子。
前記所定面に対して垂直な回転軸の周りに前記振動子が回転したときに、この振動子の回転角速度に応じて前記所定面内の検出振動が励起される第二の検出振動片を備え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１〜４のいずれか一つの請求項に記載の振動子、前記駆動振動片に駆動振動を励振するための駆動手段、および前記所定面に対して略垂直な方向の検出振動に基づく信号を検出する検出手段を備えていることを特徴とする、物理量測定デバイス。