JP2007064826A

JP2007064826A - 慣性センサ素子

Info

Publication number: JP2007064826A
Application number: JP2005252100A
Authority: JP
Inventors: Ryota Kawai; 良太河合
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】精度良く角速度を検出する。
【解決手段】圧電材料から、この圧電材料の結晶軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）のＸ軸の＋Ｘ側を正面とするＹＺ平面内で、Ｙ軸方向を基準に、前記Ｘ軸を回転軸にして、反時計廻りを＋方向としたときに、−９度〜−２０度で回転させたカットアングルで切り出された圧電板体から形成されてなることを特徴とすることにより、慣性センサ素子を励振振動させる際に、Ｚ軸方向成分の歪を著しく小さくすることができ、誤検出を防止して、精度の良い角速度の検出を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体の姿勢制御や位置検出、カメラの手振れ補正などに用いる慣性センサ素子に関する。

従来から慣性センサ素子には様々な種類があるが、各種装置に組み込むために薄く小型にし、かつ軽量にするという要求を満たすものとして、例えば、振動型の角速度センサがある。
この振動型の慣性センサは、四角柱を振動させて回転に伴って働くコリオリの力を検出するものである。
また、従来から、慣性センサ素子には、Ｈ型構造、音叉型構造、音片構造、三脚音叉構造などが採用されている。

ここで、Ｈ型構造の慣性センサ素子を例に説明すると、Ｈ型構造の慣性センサ素子は、基部と、断面が短形形状であって、基部から平行に延出する４本の腕部とから構成されている。また、基部を境に一方の腕部、つまり、基部より上部の腕部には当該腕部を屈曲振動させるために電圧を印加する励振電極が備えられ、基部を境に他方の腕部、つまり、基部よりも下部の腕部には基部より上側の腕部が振動するとともにＹ軸廻りの角速度が加わることにより生じるコリオリの力によって発生した電荷を検出する検出電極が備えられている。
この電荷を検出電極によって検出することにより、角速度の大きさと向きを知ることができる。

また、慣性センサ素子が水晶で構成されている場合を例に説明すると、従来の慣性センサ素子を形成している水晶ウェハは、Ｚ板水晶ウェハ（Ｚ軸に垂直に切り出されたウェハ）を用いている。このように形成した慣性センサ素子を励振させるために、電気軸（Ｘ軸）方向に平行な方向の電界（Ｅ_１）を励振電極を介して外部より印加し、機械軸（Ｙ軸）方向に平行な歪（Ｓ_２）を得ることによって、ＸＹ平面内で屈曲振動をする（例えば、特許文献１参照）。

また、水晶を用いた慣性センサ素子を外形形成するためには、酸性フッ化アンモニウム、フッ化水素酸の水溶液を用いてエッチングをおこなうが、エッチングの異方性により、エッチング残さが生じる。
特開２００４−３０１７３４号公報

従来の慣性センサ素子は逆圧電効果で励振振動をさせる。
ここで、圧電基本式のｅ形式を示す。
［Ｔ］＝［ｃ^Ｅ］［Ｓ］−［ｅ］^ｔ［Ｅ］・・・（１）
（ｃ^Ｅ：弾性スチフネス定数、Ｓ：歪、ｅ：圧電応力定数、Ｅ：電界）
この（１）式に示す圧電基本式のｅ形式より、励振振動させる際には、外力として歪は加えないので圧電基本式のｅ形式は、（２）式となる。
［Ｔ］＝−［ｅ］^ｔ［Ｅ］・・・（２）
このとき、電界成分は電気軸（Ｘ軸）方向に平行な方向であるので、Ｅ_２（Ｙ軸方向）＝Ｅ_３（Ｚ軸方向）＝０となる。［Ｅ］はＥ_１（Ｘ軸方向）成分のみである。［ｅ］に水晶の圧電応力定数を代入し、上記の圧電基本式を計算すると、励振振動の成分以外に、すべり応力Ｔ_４が生じる。応力を歪に変換した場合も同様に、すべり歪Ｓ_４（Ｘ軸方向からＺ軸）が生じる。このため、励振振動をさせると、Ｚ軸方向成分を含んで振動し、これが、振動漏れの原因となる。
なお、歪は、工学的表記法で、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６の要素からなる行列式で現される。

また、慣性センサ素子の外形形成を酸性フッ化アンモニウム、フッ化水素酸の水溶液を用いてエッチングをおこなうと、エッチングの異方性によって、Ｙ軸またはＺ軸に対して非対称にエッチング残さが生じるため、励振振動も振動モードがアンバランスなものとなったり、励振モードと検出モードとが結合しやすくなったりし、角速度が印加されていないときであっても、検出信号が出力される（０点出力が発生する）。そのため、機械的に腕部の一部を切削することで、振動バランスを調整する必要があった。

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、精度の良い角速度の検出ができる慣性センサ素子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、慣性センサ素子であって、圧電材料から、この圧電材料の結晶軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）のＸ軸の＋Ｘ側を正面とするＹＺ平面内で、Ｙ軸方向を基準に、前記Ｘ軸を回転軸にして、反時計廻りを＋方向としたときに、−９度〜−２０度で回転させたカットアングルで切り出された圧電板体から形成されてなることを特徴とする。

このような慣性センサ素子によれば、慣性センサ素子を励振振動させる際に、Ｚ軸方向成分の歪を著しく小さくすることができる。そのため、誤検出を防止して、精度の良い角速度の検出ができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、本発明の慣性センサ素子が水晶からなる場合について説明する。また、各説明において、上下左右という場合は、紙面に対して奥側を「上」、手前側を「下」とし、これに対し、右手側を「右」、左手側を「左」として説明する。

図１は本発明に係る慣性センサ素子の一例を示す図である。図２は圧電板体のカットアングルの一例を示す図である。図３は本発明に係る慣性センサ素子の電極構成の一例を示す図であり、（ａ）は励振電極の構成の一例を示した図であり、（ｂ）は検出電極の構成の一例を示した図である。図４は本発明に係る慣性センサ素子に生じる所定の瞬間における電界の一例を示す図であり、（ａ）は励振用腕部に生じる所定の瞬間における電界の一例を示す図であり、（ｂ）は検出用腕部に生じる所定の瞬間における電界の一例を示す図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る慣性センサ素子１００は、基部１１０と、この基部から上方に延出する一対の腕部１２０，１３０と、基部１１０の下方に延出する一対の腕部１４０，１５０と、腕部１４０，１５０の間であって基部１１０から延出する支持棒１６０と、支持棒１６０の端部に設けられる支持部１７０とで形成されている。

本発明の実施形態に係る慣性センサ素子１００が形成される水晶ウェハ（圧電板体）は、図２に示すように、Ｚ板水晶（圧電材料）の結晶軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）のＸ軸の＋Ｘ側を正面とするＹＺ平面内で、Ｙ軸方向を基準に、前記Ｘ軸を回転軸にして、反時計廻りを＋方向としたときに、−９度〜−２０度で回転させたカットアングルで切り出されてなる。なお、本実施形態では、−９度で回転させたカットアングルの水晶ウェハＰについて説明する。

この慣性センサ素子１００の基部１１０の長手方向はＸ軸方向と平行となり、腕部１２０，１３０，１４０，１５０はＹ´軸（Ｙ軸方向をＸ軸廻りに−９度回転した軸）に平行であり、慣性センサ素子の厚み方向は、Ｚ´軸（Ｚ軸方向をＸ軸廻りに−９度回転した軸）と平行となる。

このように構成した慣性センサ素子１００は、前記水晶ウェハＰを、フッ化水素酸、酸性フッ化アンモニウムの水溶液でエッチングして外形を形成する。しかし、エッチングで慣性センサ素子１００の外形を形成すると、エッチングの異方性によって、エッチング残さが当該慣性センサ素子１００のＹ軸方向、Ｚ軸方向に対して左右対称に生じる。

なお、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、一対の腕部１２０，腕部１３０と腕部１４０，１５０は各種電極が形成される。ここで、腕部１２０，１３０を励振用腕部、腕部１４０，１５０を検出用腕部として説明する。

図３（ａ）に示すように、腕部１２０には、Ｚ´軸方向に対向させて同極の励振電極１２１Ａ，１２１Ｂが設けられ、Ｘ軸方向に対向させて同極の励振電極１２１Ｃ，１２１Ｄが設けられている。また、励振電極１２１Ａ，１２１Ｂは、励振電極１２１Ｃ，１２１Ｄと異極となっている。

また、腕部１３０には、Ｚ´軸方向に対向させて同極の励振電極１３１Ａ，１３１Ｂが設けられ、Ｘ軸方向に対向させて同極の励振電極１３１Ｃ，１３１Ｄが設けられている。また、励振電極１３１Ａ，１３１Ｂは、励振電極１３１Ｃ，１３１Ｄと異極となっている。

なお、励振電極１２１Ａ，１２１Ｂと励振電極１３１Ｃ，１３１Ｄとは同極で、端子Ｐ０１に接続され、励振電極１２１Ｃ，１２１Ｄと励振電極１３１Ａ，１３１Ｂとは同極で端子Ｐ０２に接続される。

図３（ｂ）に示すように、腕部１４０には、支持棒１６０と向かい合う側の側面に検出電極１４１Ａ，１４１ＢがＺ´軸方向に並んで設けられ、これに対向する側面に検出電極１４１Ｃ，１４１ＤがＺ´軸方向に並んで設けられている。検出電極１４１Ａ，１４１Ｄは同極であり、検出電極１４１Ｂ，１４１Ｃは同極であって、検出電極１４１Ａ，１４１Ｄは検出電極１４１Ｂ，１４１Ｃとは異極となる。

腕部１５０には、支持棒１６０に向かい合う側の側面に検出電極１５１Ａ，１５１ＢがＺ´軸方向に並んで設けられ、これに対向する側面に検出電極１５１Ｃ，１５１ＤがＺ´軸方向に並んで設けられている。検出電極１５１Ａ，１５１Ｄは同極であり、検出電極１５１Ｂ，１５１Ｃは同極であって、検出電極１５１Ａ，１５１Ｄは検出電極１５１Ｂ，１５１Ｃとは異極となる。

検出電極１４１Ａ，１４１Ｄと検出電極１５１Ａ，１５１Ｄとは同極で、端子Ｐ０３に接続され、検出電極１４１Ｂ，１４１Ｃと検出電極１５１Ｂ，１５１Ｃとは同極で端子Ｐ０４に接続される。

このような電極形成において、端子Ｐ０１，Ｐ０２（図３（ａ）参照）により励振用腕部１２０，１３０に対して励振信号を印加すると、図４（ａ）に示すように、腕部１２０，１３０には電気軸方向に電界Ｅが生じる。
この電界Ｅは、腕部１２０において、励振電極１２１Ａから励振電極１２１Ｃ及び励振電極１２１Ｄへ向かうように生じ、励振電極１２１Ｂから励振電極１２１Ｃ及び励振電極１２１Ｄへ向かうように生じる。同様に、励振電極１３１Ｃから励振電極１３１Ａ及び励振電極１３１Ｂへ向かうように生じ、励振電極１３１Ｄから励振電極１３１Ａ及び励振電極１３１Ｂへ向かうように生じる。このとき、腕部１２０（１３０）のＹ´軸方向に境とする中央部に対して、Ｘ軸方向に逆向きの２つのＸ成分の電界Ｅ_１が生じる。ここで、腕部１２０のＸ成分の電界Ｅ_１の向きと腕部１３０のＸ成分の電界Ｅ_１の向きとが逆になっている。
したがって、励振信号によって、励振用腕部１２０，１３０に生じる電界Ｅ_１の向きが交互に変るようになっている。

このように電界Ｅ_１が発生することによって、歪Ｓ´_２が発生する。これによって、励振用腕部１２０，１３０は屈曲振動をする。電界Ｅ_１によるＺ軸方向成分の歪Ｓ´_３，Ｓ´_４，Ｓ´_５は極めて小さくなるので、Ｚ軸方向の変位、ねじれは小さく、ＸＹ´平面内に平行に励振振動をおこなう。

つまり、慣性センサ素子１００を形成する水晶ウェハＰのカットアングルを、結晶軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）のＸ軸の＋Ｘ側を正面とするＹＺ平面内で、Ｙ軸方向を基準に、前記Ｘ軸を回転軸にして、反時計廻りを＋方向としたときに、−９度で回転させた状態とすると、電界Ｅ_１によってＺ軸方向に生じる歪Ｓ´_３，Ｓ´_４，Ｓ´_５の和は最小となる。

図５に示すように、前記圧電基本式を用いてＥ_１によって生じる歪の向きと大きさとＸ軸廻りのカットアングルとの関係を示した。これより、カットアングルが０度のときはＳ´_３は０であるが、Ｓ´_４が大きい。カットアングルをマイナス方向に回転させていくと、Ｓ´_３は大きくなるが、Ｓ´_４は小さくなり、カットアングル−９度付近でＳ´_３、Ｓ´_４は０に近づいていることがわかる。Ｓ´_５はカットアングルを変化させても０であるため影響は無い。

図６に示すように、本実施形態における慣性センサ素子の励振用腕部１２０，１３０のＺ軸方向の振動とカットアングルとの関係を示した。これより、Ｚ軸方向の振動が０となるのは、−２０度付近であることがわかる。

これは、実施形態における慣性センサ素子はエッチングの異方性によって、非対称にエッチング残さが生じているため振動バランスが変化し、カットアングルの最適値にズレが生じているからである。

具体的には、エッチングの異方性によってエッチング残さを生じると、振動バランスが変化するため、カットアングルの最適値はずれる。エッチング残さを考慮した場合、上記の方向に−２０度回転させたとき、Ｚ軸方向の歪は最小となる。しかし、エッチング残さの大きさはエッチャントの配合、温度、エッチング時間に依存するため、エッチング残さの大きさが小さくなれば、カットアングルの最適値のずれ量も小さくなる。
つまり、エッチング残さの大きさに振動バランスのズレ量は依存し、エッチング残さが小さくなればカットアングルの最適値は−２０度から−９度に近づいていく。

本実施形態における慣性センサ素子１００はＸＹ´平面内で励振振動をするため、検出用腕部１５０，１６０に回転が印加されていない状態だと、これら検出用腕部１５０，１６０へＺ軸方向の振動が伝播されない。このため、検出用腕部１５０，１６０は振動はおこらず、検出端子Ｐ０３，Ｐ０４（図３（ｂ）参照）には検出信号として入力される漏れ信号は検出されない。

このように励振している状態で、Ｙ´軸廻りを回転軸とする回転運動を加えるとＺ´軸方向にコリオリの力が加わり、腕部１２０，１３０，１４０，１５０はＺ軸方向に歪を生じる。各検出電極と接続している端子Ｐ０３，Ｐ０４に回転の大きさに応じた電荷が発生（図４（ｂ）参照）し、角速度の大きさを求めることができる。また、検出される電荷の極性と励振信号との位相を比較することで、角速度の方向も検知することが可能となる。

実施形態に係る慣性センサ素子は、励振時のＺ軸方向の変位が著しく小さいので、回転が加わっていない状態であっても漏れ信号を検出することがないため、精度良く角速度の検出ができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、本実施形態では、圧電素子を水晶として説明したがこれに限定されるものではなく、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電効果のある材質を適宜用いることができる。

本発明に係る慣性センサ素子の一例を示す図である。圧電板体のカットアングルの一例を示す図である。本発明に係る慣性センサ素子の電極構成の一例を示す図であり、（ａ）は励振電極の構成の一例を示した図であり、（ｂ）は検出電極の構成の一例を示した図である。本発明に係る慣性センサ素子に生じる所定の瞬間における電界の一例を示す図であり、（ａ）は励振用腕部に生じる所定の瞬間における電界の一例を示す図であり、（ｂ）は検出用腕部に生じる所定の瞬間における電界の一例を示す図である。歪の大きさと向きと慣性センサ素子のカットアングルの関係を示したグラフである。励振用腕部のＺ´軸方向成分の変位とカットアングルの関係を示したグラフである。

符号の説明

１００慣性センサ素子
１１０基部
１２０，１３０腕部（励振用腕部）
１４０，１５０腕部（検出用腕部）
１６０支持棒
１７０支持部
Ｐ水晶ウェハ（圧電板体）

Claims

圧電材料から、この圧電材料の結晶軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）のＸ軸の＋Ｘ側を正面とするＹＺ平面内で、Ｙ軸方向を基準に、前記Ｘ軸を回転軸にして、反時計廻りを＋方向としたときに、−９度〜−２０度で回転させたカットアングルで切り出された圧電板体から形成されてなることを特徴とする慣性センサ素子。