JP2006201053A - 圧電振動ジャイロ素子、圧電振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 基部から延出される梁に形成されるヒレ状の異形部を形成されにくくし、角速度の検出感度を維持し、かつ小型化を可能にする圧電振動ジャイロ素子、圧電振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサを提供する。
【解決手段】 Ｚ板の水晶基板からエッチング加工により形成される圧電振動ジャイロ素子１であって、基部１０と、基部１０から両側へＹ軸方向に延出された１対の検出用振動腕１１ａ，１１ｂと、基部１０から両側へＸ軸方向に延出された１対の連結腕１３ａ，１３ｂと、各連結腕の先端部から両側へＹ軸方向に延出された各１対の駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂと、基部１０から延出される４本の梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと、各梁の先端に接続する支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂと、をＸＹ平面に備え、各梁はＸ軸を基準に略６０°の方向に延出されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エッチング加工により形成される圧電振動ジャイロ素子、圧電振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサに関する。

近年、撮像機器の手ぶれ補正や、ＧＰＳ衛星信号を用いた車両等の移動体ナビゲーションシステムなどの姿勢制御として、振動ジャイロ素子を容器に収容したジャイロセンサが多く用いられている。
振動ジャイロ素子として、例えば、検出振動系を連結した基部に略Ｔ字型の駆動振動系を連結した所謂、ダブルＴ字型ジャイロ素子が知られている（特許文献１、図１参照）。このような、ダブルＴ型振動ジャイロ素子は基部を接着支持して角速度の検出を行っているが、振動ジャイロ素子の支持強度向上のために、新たに基部から梁を延出させて、基部および梁の先端部を支持する構造が提案されている（特許文献１、図４参照）。

特開２００１−１２９５５号公報（図１、図４）

上記のような振動ジャイロ素子を圧電材料である水晶で形成する場合には、Ｚ板の水晶基板を用い、フォトリソグラフィ技術を利用してエッチング加工されるのが一般的である。図１０は、水晶をエッチング加工して一体に形成した従来の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図である。

図１０において、圧電振動ジャイロ素子１００は、基部１１０に連結された検出用振動腕１０１ａ，１０１ｂと、基部１１０に連結された連結腕１０３ａ，１０３ｂと、連結腕１０３ａ，１０３ｂの先端部から延出される駆動用振動腕１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂを備えている。さらに、基部１１０から検出用振動腕１０１ａ，１０１ｂに沿うように梁１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂが形成され、その先端が支持部１１３，１１４に接続されている。

このような、圧電振動ジャイロ素子１００において、水晶のＸ軸とＹ軸が交差する部分には、ヒレ状の異形部１２０が形成される。このヒレ状の異形部１２０が形成されるのは、水晶の結晶構造に起因し、それぞれの結晶軸方向に対するエッチングスピードの違いによるエッチング異方性のためである。このヒレ状の異形部１２０は、検出用振動腕１０１ａ，１０１ｂに剛性を与え、その振動を阻害するように働く。

圧電振動ジャイロ素子１００を小型化する場合に、基部１１０の大きさは相対的に小さく設計される。つまり、例えば検出用振動腕１０１ａと梁１１１ａ，１１１ｂとの間隔は小さくなり、梁１１１ａ，１１１ｂ側から形成されるヒレ状の異形部１２０と、検出用振動腕１０１ａ側から形成されるヒレ状の異形部が重なり合い検出用振動腕１０１ａの剛性を高め、その振動を大きく阻害することになる。このことから、検出用振動腕１０１ａ，１０１ｂの振動振幅が小さくなり、角速度の検出感度が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、基部から延出される梁に形成されるヒレ状の異形部を形成されにくくし、角速度の検出感度を維持し、かつ小型化を可能にする圧電振動ジャイロ素子、圧電振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の圧電振動ジャイロ素子は、Ｚ板の水晶基板からエッチング加工により形成される圧電振動ジャイロ素子であって、基部と、前記基部から両側へＹ軸方向に延出された１対の検出用振動腕と、前記基部から両側へＸ軸方向に延出された１対の連結腕と、前記各連結腕の先端部から両側へＹ軸方向に延出された各１対の駆動用振動腕と、前記基部から延出される４本の梁と、前記各梁の先端に接続する支持部と、をＸＹ平面に備え、前記各梁はＸ軸を基準に略３０°または略６０°の方向に延出されていることを特徴とする。

Ｚ板水晶基板の場合、Ｘ軸を基準に略３０°または略６０°の方向に延出された部材をエッチング加工で形成すると、ヒレ状の異形部が形成されにくいことが知られており、この構成によれば、梁にヒレ状の異形部が形成されにくく、検出用振動腕の振動を阻害することがない。
このことから、圧電振動ジャイロ素子の角速度の検出感度を維持し、かつ小型化を可能にする圧電振動ジャイロ素子を提供できる。

また、本発明の圧電振動ジャイロ素子は、前記梁および前記支持部は圧電振動ジャイロ素子の重心に対して回転対称な位置に設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、圧電振動ジャイロ素子のバランスが確保でき、安定した姿勢を保つことができる。

また、本発明の圧電振動ジャイロ素子の支持構造は、前記圧電振動ジャイロ素子と、前記圧電振動ジャイロ素子が載置される支持台と、前記圧電振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、支持部は面積を大きく形成することができるため、圧電振動ジャイロ素子の基部を支持せずとも、支持部を固定部材により支持することで角速度検出感度を維持しながら確実な支持が可能となる。

また、本発明の圧電振動ジャイロ素子の支持構造において、前記固定部材は弾性を有する材料であることを特徴とする。

この構成によれば、固定部材が弾性を有しているので、外部からの振動或は衝撃を和らげ、圧電振動ジャイロ素子の駆動振動および検出振動を安定に保つことができる。そして、支持部に漏洩してきている微小の振動を、固定部材が緩衝材として機能し、駆動振動および検出振動への影響を低減することができる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記圧電振動ジャイロ素子と、前記圧電振動ジャイロ素子が載置される支持台と、前記圧電振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、前記圧電振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、前記圧電振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記圧電振動ジャイロ素子に生ずる検出振動を検出する検出回路と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、圧電振動ジャイロ素子の角速度検出感度を維持しながら支持強度を向上させ、また、小型化された圧電振動ジャイロ素子を搭載し、小型化されたジャイロセンサを提供することができる。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（実施形態）

図１は本実施形態の圧電振動ジャイロ素子を示す、概略平面図である。
圧電振動ジャイロ素子１は、水晶のＺ板からフォトリソグラフィ技術を利用し、エッチング加工にて形成されている。水晶には電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸および光学軸と呼ばれるＺ軸を有している。Ｚ板はＺ軸方向に厚みを持ち、ＸＹ平面を平面とする水晶基板である。

圧電振動ジャイロ素子１は、基部１０から図中上下両側へ直線状に延出する１対の検出用振動腕１１ａ，１１ｂと、基部１０から該検出用振動腕１１ａ，１１ｂと直交する向きに図中左右両側へ延出する１対の連結腕１３ａ，１３ｂと、各連結腕１３ａ，１３ｂの先端部から検出用振動腕１１ａ，１１ｂと平行に図中上下両側へ延出する左右各１対の駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂとを有している。

また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂ表面には検出電極（図示せず）が形成され、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ表面には駆動電極（図示せず）が形成されている。このように、検出用振動腕１１ａ，１１ｂにて角速度を検出する検出振動系を構成し、連結腕１３ａ，１３ｂと駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂにて圧電振動ジャイロ素子を駆動する駆動振動系を構成している。

また、検出用振動腕１１ａ，１１ｂのそれぞれの先端部には重り部１２ａ，１２ｂが形成され、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂのそれぞれの先端部には重り部１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが形成され、角速度の検出感度の向上が図られている。なお、ここで検出用振動腕１１ａ，１１ｂは重り部１２ａ，１２ｂをそれぞれ含み、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂは重り部１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂをそれぞれ含んだ名称である。

さらに、基部１０の四隅からＸ軸を基準に略６０°の方向に４本の梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが延出している。そして、梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂの先端部は、それぞれ、支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂに連結されている。ここで、梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが延出する角度の略６０°は製造工程のばらつきを考慮して、６０°±５°の範囲に設定されている。
また、梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂおよび支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは圧電振動ジャイロ素子１の重心Ｇに対して回転対称な位置に設けられている。

次に、圧電振動ジャイロ素子１の動作について説明する。
図３および図４は圧電振動ジャイロ素子の動作を説明する模式平面図である。図３および図４において、振動形態を簡易に表現するために各振動腕は線で表し、前述した梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂおよび支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは省略する。

図３において、圧電振動ジャイロ素子１の駆動振動状態を説明する。圧電振動ジャイロ素子１は角速度が加わらない状態において、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂが矢印Ｅで示す方向に屈曲振動を行う。この屈曲振動は、実線で示す振動姿態と二点鎖線で示す振動姿態を所定の周波数で繰り返している。このとき、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂと駆動用振動腕１５ａ，１５ｂとが、重心Ｇを通るＹ軸に関して線対称の振動を行っているため、基部１０、連結腕１３ａ，１３ｂ、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは、ほとんど振動しない。

この駆動振動を行っている状態で、圧電振動ジャイロ素子１にＺ軸回りの角速度ωが加わると、図４に示すような振動を行う。つまり、駆動振動系を構成する駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂおよび連結腕１３ａ，１３ｂに矢印Ｂ方向のコリオリ力が働き、新たな振動が励起される。この矢印Ｂ方向の振動は重心Ｇに対して周方向の振動である。また同時に、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは矢印Ｂの振動に呼応して、矢印Ｃ方向の検出振動が励起される。そして、この振動により発生した圧電材料の歪を、検出用振動腕１１ａ，１１ｂに形成した検出電極が検出して角速度が求められる。

またこのとき、基部１０の周縁部は矢印Ｄ方向に、重心Ｇに対して周方向に振動する。これは、検出振動が駆動振動系と検出用振動腕１１ａ，１１ｂとの釣り合い振動だけでなく、基部１０を含めた釣り合い振動となっているためである。この矢印Ｄで示す基部１０の周縁部の振動振幅は、矢印Ｂで示す駆動振動系の振動振幅、または矢印Ｃで示す検出用振動腕１１ａ，１１ｂの振動振幅に比べて微小であるが、例えば基部１０を接着固定した場合、この固定により基部１０の周縁部の振動が抑圧され、検出振動も抑圧される。このことから、基部１０を支持することで角速度の検出感度が低下することになる。

次に、圧電振動ジャイロ素子の支持構造およびジャイロセンサについて、図２を用いて説明する。図２はジャイロセンサを示す概略断面図であり、圧電振動ジャイロ素子１を図１のＡ−Ａ断線に沿う断面として表している。
ジャイロセンサ８０は、圧電振動ジャイロ素子１、ＩＣ８４、収容器８１、蓋体８６を備えている。セラミックなどで形成された収容器８１の底面にはＩＣ８４が配置され、Ａｕなどのワイヤ８５で収容器８１に形成された配線（図示せず）と電気的接続がなされている。ＩＣ８４には圧電振動ジャイロ素子１を駆動振動させるための駆動回路と、角速度が加わったときに圧電振動ジャイロ素子１に生ずる検出振動を検出する検出回路とを含んでいる。圧電振動ジャイロ素子１は、収容器８１に形成された支持台８２と圧電振動ジャイロ素子１の支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂとを導電性接着剤などの固定部材８３を介して、接着支持されている。また、支持台８２表面には配線（図示せず）が形成され、圧電振動ジャイロ素子１の電極と配線間の導通が固定部材８３を介してなされている。この固定部材８３は、弾性のある材料であることが望ましい。弾性を有する固定部材８３としてはシリコーンを基材とする導電性接着剤などが知られている。そして、収容器８１の上部で収容器８１内を真空雰囲気に保持され、蓋体８６にて封止されている。

以上のように、本実施形態の圧電振動ジャイロ素子１において、梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが延出する方向は、Ｘ軸を基準に略６０°に設定されている。Ｚ板水晶基板の場合、Ｘ軸を基準に略３０°または略６０°の方向に延出された部材をエッチング加工で形成すると、ヒレ状の異形部が形成されにくいことが知られており、この構成によれば、梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと基部１０の連結部にヒレ状の異形部が形成されにくく、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの振動を阻害することがない。
このことから、圧電振動ジャイロ素子１の角速度の検出感度を維持し、かつ小型化を可能にする圧電振動ジャイロ素子１を提供できる。

また、基部１０から延出する梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂは水晶で形成されているため弾性を有し、基部１０の周縁部の振動が抑圧されることが無く、角速度の検出感度が低下することがない。
さらに、梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂおよび支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは圧電振動ジャイロ素子１の重心Ｇに対して回転対称な位置に設けられていることから、圧電振動ジャイロ素子１のバランスが確保でき、安定した姿勢を保つことができ良好な特性を得ることができる。

また、本実施形態の圧電振動ジャイロ素子１の支持構造は、基部１０から延出された梁２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂを連結する支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを形成することにより、支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂの面積を大きく確保でき、支持強度を向上させることができる。

また、圧電振動ジャイロ素子１の支持構造において、固定部材８３は弾性を有する材料で構成されているため、外部からの振動および衝撃を和らげ、駆動振動および検出振動を安定に保つことができる。そして、支持部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂに漏洩してきている微小の振動を、固定部材８３が緩衝材として機能し、駆動振動および検出振動への影響を低減することができる。
さらに、上記支持構造で支持された圧電振動ジャイロ素子１を搭載したジャイロセンサ８０は、角速度の検出感度を維持しつつ小型化することができる。
（圧電振動ジャイロ素子の変形例）

図５から図９は圧電振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図である。これらの変形例では図１に示した梁および支持部の形状に特徴を有し、図１と同じ構成部については同符号を付し、説明を省略する。

図５において、圧電振動ジャイロ素子２には基部１０の４箇所の角部から、Ｘ軸を基準に略３０°の方向に延出し、途中からＹ軸方向に延びる４本の梁３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂが形成されている。そして、梁３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂの先端は支持部３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂにそれぞれ連結されている。ここで、梁３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂが延出する角度の略３０°は製造工程のばらつきを考慮して、３０°±５°の範囲に設定されている。
圧電振動ジャイロ素子２は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図６において、圧電振動ジャイロ素子３には基部１０の４箇所の角部から、Ｘ軸を基準に略６０°の方向に延出した４本の梁４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂが形成されている。梁４０ａ，４０ｂの先端は共に支持部４２に連結され、梁４１ａ，４１ｂの先端は共に支持部４３に連結されている。そして、検出用振動腕１１ａ，１１ｂは駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂより短く形成され、この１対の支持部４２，４３は、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂの外側かつ駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの間に配置されている。
圧電振動ジャイロ素子３は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部４２，４３を導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図７において、圧電振動ジャイロ素子４には基部１０の４箇所の角部から、Ｘ軸を基準に略６０°の方向に延出した４本の梁５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂが形成されている。梁５０ａ，５０ｂの先端は共に支持部５２に連結され、梁５１ａ，５１ｂの先端は共に支持部５３に連結されている。この１対の支持部５２，５３は、各検出用振動腕１１ａ，１１ｂの延出する方向であって検出用振動腕１１ａ，１１ｂおよび駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂの外側に配置されている。
圧電振動ジャイロ素子４は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部５２，５３を導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図８において、圧電振動ジャイロ素子５には基部１０の４箇所の角部から、Ｘ軸を基準に略６０°の方向に延出した４本の梁６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂが形成されている。梁６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂは、それぞれ支持部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄに接続されている。さらに、支持部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄは、基部１０、検出用振動腕１１ａ，１１ｂ、駆動用振動腕１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂを取り囲むように形成した枠部６２に連結されている。
圧電振動ジャイロ素子５は、前述の実施形態と同様な支持構造で、少なくとも支持部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄあるいは枠部６２を導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

図９は図１で説明した圧電振動ジャイロ素子１において、重り部１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを設けない圧電振動ジャイロ素子の形態である。
圧電振動ジャイロ素子６には基部１０の４箇所の角部から、Ｘ軸を基準に略６０°の方向に延出した４本の梁７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂが形成されている。梁７０ａ，７０ｂ，７１ａ，７１ｂの先端にはそれぞれ支持部７２ａ，７２ｂ，７３ａ，７３ｂが接続されている。
圧電振動ジャイロ素子６は、前述の実施形態と同様な支持構造で、支持部７２ａ，７２ｂ，７３ａ，７３ｂを導電性接着剤などの固定部材によって支持台に接着支持される。

また、以上の圧電振動ジャイロ素子２，３，４，５，６において、梁および支持部は圧電振動ジャイロ素子２，３，４，５，６の重心Ｇに対して回転対称な位置に設けられている。
このように、圧電振動ジャイロ素子の基部１０からＸ軸を基準に略３０°または略６０°方向延出させた梁をエッチング加工で形成すれば、梁と基部１０の連結部にヒレ状の異形部が形成されにくく、検出用振動腕１１ａ，１１ｂの振動を阻害することがない。
以上の圧電振動ジャイロ素子の変形例においても、本実施形態で説明したのと同様の作用を有し、同様の効果を享受することができる。

本実施形態の圧電振動ジャイロ素子を示す概略平面図。 ジャイロセンサを示す概略断面図。 圧電振動ジャイロ素子の駆動振動状態を説明する模式平面図。 圧電振動ジャイロ素子の検出振動状態を説明する模式平面図。 圧電振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 圧電振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 圧電振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 圧電振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 圧電振動ジャイロ素子の変形例を示す概略平面図。 従来の圧電振動ジャイロ素子を説明する概略平面図。

符号の説明

１，２，３，４，５，６…圧電振動ジャイロ素子、１０…基部、１１ａ，１１ｂ…検出用振動腕、１３ａ，１３ｂ…連結腕、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ…駆動用振動腕、２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ…梁、２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ…支持部、８０…ジャイロセンサ、８２…支持台、８３…固定部材、８４…駆動回路と検出回路を含むＩＣ、１２０…ヒレ状の異形部、Ｇ…重心。

Claims (5)

1. Ｚ板の水晶基板からエッチング加工により形成される圧電振動ジャイロ素子であって、
   基部と、
   前記基部から両側へＹ軸方向に延出された１対の検出用振動腕と、
   前記基部から両側へＸ軸方向に延出された１対の連結腕と、
   前記各連結腕の先端部から両側へＹ軸方向に延出された各１対の駆動用振動腕と、
   前記基部から延出される４本の梁と、
   前記各梁の先端に接続する支持部と、をＸＹ平面に備え、
   前記各梁はＸ軸を基準に略３０°または略６０°の方向に延出されていることを特徴とする圧電振動ジャイロ素子。
2. 請求項１に記載の圧電振動ジャイロ素子において、
   前記梁および前記支持部は圧電振動ジャイロ素子の重心に対して回転対称な位置に設けられていることを特徴とする圧電振動ジャイロ素子。
3. 請求項１または２に記載の圧電振動ジャイロ素子と、
   前記圧電振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
   前記圧電振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、
   を備えることを特徴とする圧電振動ジャイロ素子の支持構造。
4. 請求項３に記載の圧電振動ジャイロ素子の支持構造において、
   前記固定部材は弾性を有する材料であることを特徴とする圧電振動ジャイロ素子の支持構造。
5. 請求項１または２に記載の圧電振動ジャイロ素子と、
   前記圧電振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
   前記圧電振動ジャイロ素子の前記支持部と支持台とを固定するための固定部材と、
   前記圧電振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、
   前記圧電振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記圧電振動ジャイロ素子に生ずる検出振動を検出する検出回路と、
   を備えることを特徴とするジャイロセンサ。
   

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