JP2011127945A - Piezoelectric vibration element and piezoelectric vibrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電振動素子および圧電振動子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibration element and a piezoelectric vibrator.
回転角速度を検出する角速度センサーは、ナビゲーションシステム、各種装置の姿勢制御システム、ビデオカメラやデジタルカメラの手振れ防止装置等、広範囲に採用されている。これら電子機器においては小型化が可能な圧電振動素子センサーが多用されている。 Angular velocity sensors that detect rotational angular velocities are widely used in navigation systems, attitude control systems for various devices, camera shake prevention devices for video cameras and digital cameras, and the like. In these electronic devices, piezoelectric vibration element sensors that can be miniaturized are frequently used.
従来、圧電振動素子の角速度センサーとして、駆動振動する振動手段と、回転によって発生する検出振動を検出する検出手段を備える振動子であって、振動子は複数の振動系が回転軸Zに対して交差する所定面内に伸びるように形成されているZ軸回転系の角速度を検出する角速度センサーが知られている(特許文献1参照) 2. Description of the Related Art Conventionally, as an angular velocity sensor of a piezoelectric vibration element, a vibrator having a vibration means for driving vibration and a detection means for detecting a detection vibration generated by rotation, wherein the vibrator has a plurality of vibration systems with respect to the rotation axis Z. An angular velocity sensor that detects an angular velocity of a Z-axis rotation system that is formed so as to extend within a predetermined plane intersecting is known (see Patent Document 1).
しかし、特許文献1の角速度センサーでは、垂直な回転軸、すなわちZ軸回転系の振動成分の検出が可能なセンサーであり、複数の検出軸を要求するような機器に対してはセンサーを立てて実装する必要があり、センサーデバイスとしては大型のものになってしまう。 However, the angular velocity sensor disclosed in Patent Document 1 is a sensor that can detect a vibration component of a vertical rotation axis, that is, a Z-axis rotation system, and is set up for a device that requires a plurality of detection axes. It is necessary to mount, and it becomes a large-sized sensor device.
そこで、振動子面に対して平行な回転軸を検出する角速度センサーとして、回転軸に交差する捻れ中心軸周りに捩れ振動モードで駆動する駆動部に連設した検出部を捩り回転振動させ、回転運動によるコリオリ力によって生じる検出部の横屈曲振動を検出し、角速度を検出する角速度センサーが知られている(特許文献2参照)。 Therefore, as an angular velocity sensor that detects a rotation axis parallel to the transducer surface, the detection unit connected to the drive unit that drives in the torsional vibration mode around the torsional center axis that intersects the rotation axis is torsionally rotated and rotated. There is known an angular velocity sensor that detects a lateral bending vibration of a detection unit caused by a Coriolis force due to motion and detects an angular velocity (see Patent Document 2).
しかし、上述の特許文献2による角速度センサーであっても、捩れ振動により端部に備えた検出腕をZ方向に振動させるために、振動子の寸法精度、いわゆる加工ばらつきによって、振動漏れが発生し角速度に基づかない信号を出力することによる検出精度の低下を起こすものであった。 However, even the angular velocity sensor according to Patent Document 2 described above causes vibration leakage due to the dimensional accuracy of the vibrator, so-called processing variation, because the detection arm provided at the end is vibrated in the Z direction by torsional vibration. The detection accuracy is lowered by outputting a signal not based on the angular velocity.
そこで、回転軸を振動子の面内に有しながら、振動漏れの少ない精度の高い角速度センサーを提供する。 Therefore, an accurate angular velocity sensor with less vibration leakage and having a rotation axis in the plane of the vibrator is provided.
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。 The present invention can be realized as the following forms or application examples so as to solve at least one of the above-described problems.
〔適用例1〕本適用例の圧電振動素子は、角速度により生ずるコリオリ力に応じた圧電効果により回転運動を検出する圧電振動素子であって、両端に支持部を備え、捩れ振動モードで振動する梁と、前記梁の伸長方向に対して直交して延出し回転運動を検出する1以上の検出腕と、を備え、前記梁と前記検出腕の腕側辺との交差部には、前記梁の側面の一部と、前記検出腕の側面の一部とを含んで延在する調整部を備えることを特徴とする。 [Application Example 1] The piezoelectric vibration element according to this application example is a piezoelectric vibration element that detects a rotational motion by a piezoelectric effect corresponding to a Coriolis force generated by an angular velocity, and includes support portions at both ends and vibrates in a torsional vibration mode. A beam and one or more detection arms that extend perpendicularly to the extension direction of the beam and detect a rotational motion, and at the intersection of the beam and the arm side of the detection arm, the beam And an adjustment portion extending to include a part of the side surface of the detection arm and a part of the side surface of the detection arm.
本適用例によれば、捩れ振動する梁から延出した検出腕には面外方向の屈曲振動が与えられる。この検出腕に回転運動、すなわち角速度が加わり生じるコリオリ力により面内振動が発生する。しかし、検出腕自体には励振部材は備えていないため、製造能力(ばらつき)によって生じる検出腕断面形状におけるずれを原因とする機械結合を発生させない。すなわち、回転角速度がかからない状態で、検出腕は正確に角速度=0を出力することができる。したがって、より正確な角速度検出をすることができる。 According to this application example, bending vibration in an out-of-plane direction is applied to the detection arm extending from the beam that vibrates torsionally. In-plane vibration is generated by the Coriolis force generated by the rotational motion, that is, the angular velocity applied to the detection arm. However, since the detection arm itself is not provided with an excitation member, mechanical coupling caused by a shift in the cross-sectional shape of the detection arm caused by manufacturing capability (variation) is not generated. That is, the detection arm can accurately output angular velocity = 0 in the state where the rotational angular velocity is not applied. Therefore, more accurate angular velocity detection can be performed.
更に、調整部を捩り振動梁と検出腕との付け根部に延在させることで、更に機械結合により発生する検出信号の誤差を、なお一層小さく調整することを可能とする。 Furthermore, by extending the adjusting portion to the base portion of the torsional vibration beam and the detection arm, it is possible to further reduce the error of the detection signal generated by the mechanical coupling.
〔適用例2〕上述の適用例において、前記調整部に金属膜が形成され、前記金属膜の一部を除去することで調整することを特徴とする。 Application Example 2 In the above application example, a metal film is formed on the adjustment portion, and the adjustment is performed by removing a part of the metal film.
上述の適用例によれば、レーザー照射などの従来技術・装置によって容易に調整することができ、新たな設備開発を必要とせず、低コスト高信頼性の圧電振動素子を得ることができる。 According to the application example described above, it is possible to easily adjust by a conventional technique and apparatus such as laser irradiation, and it is possible to obtain a low-cost and highly reliable piezoelectric vibration element without requiring new equipment development.
〔適用例3〕上述の適用例において、前記調整部の前記圧電振動素子の基材の一部を除去することで調整することを特徴とする。 Application Example 3 In the application example described above, the adjustment is performed by removing a part of the base material of the piezoelectric vibration element of the adjustment unit.
上述の適用例によれば、より低コストで圧電振動素子を得ることができる。 According to the application example described above, the piezoelectric vibration element can be obtained at lower cost.
〔適用例4〕上述の適用例において、前記圧電振動素子の基材が水晶であることを特徴とする。 Application Example 4 In the application example described above, the piezoelectric vibration element base material is quartz.
上述の適用例によれば、温度特性に優れた小型・薄型の圧電振動素子を得ることができる。 According to the application example described above, a small and thin piezoelectric vibration element having excellent temperature characteristics can be obtained.
〔適用例5〕上述の適用例による圧電振動素子を実装した圧電振動子。 Application Example 5 A piezoelectric vibrator on which the piezoelectric vibration element according to the application example described above is mounted.
上述の適用例によれば、薄型の面内方向に回転軸を持つ回転を検出する角速度センサーとなる圧電振動子を得ることができる。 According to the application example described above, it is possible to obtain a piezoelectric vibrator serving as an angular velocity sensor that detects rotation having a rotation axis in a thin in-plane direction.
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照して、本発明に係る第1の実施形態を説明する。
[First Embodiment]
A first embodiment according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本実施形態の圧電振動素子を示す概略斜視図である。圧電振動素子100は圧電材料により形成されるが、本実施形態では水晶基板から形成される圧電振動素子100により説明する。圧電振動素子100は水晶基板の電気軸と呼ばれるX軸、機械軸と呼ばれるY軸および光学軸と呼ばれるZ軸のうち、X軸とY軸とを平面方向に切り出したZカットの基板から形成されている。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing the piezoelectric vibration element of this embodiment. The
圧電振動素子100はX軸方向に延在し両端に支持部21、22を備える駆動梁10と、駆動梁10の中央に交差しY軸方向に延出する検出腕30とを備えている。更に、駆動梁10と検出腕30との交差部には駆動梁10および検出腕30の側面10a、30aを含んで延在する調整部41、42、43、44を備えている。調整部41、42、43、44の平面部には、機械結合による微弱な振動漏れを微調整するための調整部材51、52、53、54が備えられている。なお、図示されないが図面上の裏面にも、調整部材が備えられていても良い。
The
調整部材51、52、53、54は金属膜により構成されており、例えばAu、Ag、Wなどをスパッタリング、CVD等の方法により調整部41、42、43、44上に形成される。また、調整部材51、52、53、54を形成せずに調整部41、42、43、44を構成している基板の一部を除去することで、調整することも可能である。
The adjusting
次に図2及び図3に基づき、圧電振動素子100の動作を説明する。圧電振動素子100は、検出腕30の延在方向であるY軸を中心として回転する角速度ωを検出するジャイロセンサー素子である。
Next, based on FIG.2 and FIG.3, operation | movement of the
駆動梁10はX軸方向に捩り中心軸を持つ捩り振動モードを励振される。すなわち、図2の捩り方向Aと図3の捩り方向Bを繰り返す振動モードで駆動されている。捩り振動モードで駆動されている駆動梁10に交差して延在する検出腕30は、図2(b)および図3(b)に示す検出腕30のL−L’断面図に示すように、検出腕30の先端部は矢印方向に振れて、実質的にZ軸方向に屈曲振動する。いわゆるX−Y面に対する面外振動する振動腕となっている。
The
ここに、Y軸方向を回転軸とする回転運動による角速度ωが負荷されると、検出腕30にはコリオリ力により図2(a)、図3(a)に示すr方向の振動、いわゆる面内屈曲振動が発生する。検出腕30におけるr方向の面内振動を検出し、得られた信号から角速度ωを演算する。
Here, when an angular velocity ω due to a rotational motion with the Y-axis direction as the rotational axis is loaded, the
検出腕30は、上述の通り検出腕30自体には励振させる手段(励振電極)を備えず、駆動梁10の捩り振動により駆動されていることで、検出腕30の駆動振動に対する検出腕30の断面形状におけるずれを原因とする機械結合はきわめて小さい。したがって、角速度ωの検出に対してノイズの少ない信号を検出腕30より得ることができるため、検出精度の高いジャイロセンサーを実現することができる。
As described above, the
しかし、上述の実施形態において極わずかな機械結合であっても、高い要求性能(検出能力)に対して実現するために、限りなく機械結合を零にすることが望まれる。そこで、調整部41、42、43、44または調整部41、42、43、44に配置した調整部材51、52、53、54を部分的に除去、もしくは微量質量材を付加しながら離調調整し、センサー感度の精度を高めることができる。
However, in order to realize high required performance (detection capability) even if the mechanical coupling is very slight in the above-described embodiment, it is desirable that the mechanical coupling is zero as much as possible. Therefore, the
調整方法としては、レーザー照射によって調整部41、42、43、44または調整部41、42、43、44に配置した調整部材51、52、53、54を部分的に除去することが好ましい。レーザー照射は出力調整が容易であることから、調整部41、42、43、44または調整部41、42、43、44に配置した調整部材51、52、53、54の除去量の制御が簡単に且つ正確に行うことができる。
As an adjustment method, it is preferable to partially remove the
また、圧電振動素子100が水晶から形成されている本実施形態の場合、図示された圧電振動素子100の裏面側の調整部41、42、43、44に配置した調整部材51、52、53、54に対して、図示されている表面からも、透明な水晶を透過してレーザーを照射することが可能である。したがって、圧電振動素子100のどちらか一方の面側からだけのレーザー照射によって、表裏両面に備える調整部41、42、43、44に配置した調整部材51、52、53、54を調整除去することができ、工程削減が図られコストダウンを可能とするものである。
In the case of the present embodiment in which the
次に、上述の圧電振動素子100に形成されている電極膜について、電極膜の配置を模式的に示す図4により説明する。図4(a)に示す圧電振動素子100の模式的斜視図において、矢印S方向(以後、表面という)からの矢視図を図4(b)に、矢印T方向(以後、裏面という)からの矢視図を図4(c)に示す。なお、図4(b)(c)において電極膜には斜線ハッチングを施してある。
Next, the electrode film formed on the above-described
駆動梁10は、表面に表面駆動用電極61a、62aと、裏面に裏面駆動用電極61b、62bとが配置されている。表面駆動用電極61aと裏面駆動用電極61bとは配線61cによって接続され、接続電極61dに接続されている。また、表面駆動用電極62aと裏面駆動用電極62bとは配線62cによって接続され、接続電極62dに接続されている。
The
検出腕30は、表面に表面検出用電極71a、72aと、裏面に裏面検出用電極71b、72bと、検出腕30の側面には側面検出用電極71c、72cと、が配置されている。表面検出用電極71aと、裏面検出用電極71bとは配線71dによって接続され、接続電極71eに接続される。側面検出用電極71cは配線71fによって接続され、接続電極71gに接続される。また、表面検出用電極72aと、裏面検出用電極72bとは配線72dによって接続され、接続電極72eに接続される。側面検出用電極72cは配線72fによって接続され、接続電極72gに接続される。
The
配線71d、71f、72d、72fは、上述の表面駆動用電極61a、62a、裏面駆動用電極61b、62bおよび配線61c、62cと交差させないために、図示のように多くを圧電振動素子の側面に設けている。
The
次に、上述の実施形態の圧電振動素子100を用いた圧電振動子である角速度センサーの製造方法について説明する。図5は角速度センサーの製造工程を示すフローチャート、図6は角速度センサーの製造方法を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing an angular velocity sensor that is a piezoelectric vibrator using the
(圧電振動素子形成工程)
まず、圧電振動素子形成工程(S101)にて図6(a)に示す平面形状の圧電振動素子100を形成する。圧電振動素子100は水晶基板からフォトリソグラフィー、エッチングにより外形状を形成する。外形形成された水晶片に蒸着、スパッタリングあるいはCDV等の方法によって表面に電極となるAu膜を成膜し、フォトリソグラフィー、エッチングにより図4に示す電極膜を形成する。なお、電極膜材料としてはCu、Ag、W等も適用可能である。
(Piezoelectric vibration element formation process)
First, the
また、調整部材51、52、53、54は、調整部41、42、43、44上に電極膜形成と同時に、電極膜材料と同じ材料で形成しても良い。
The adjusting
(圧電振動素子実装工程)
次に圧電振動素子実装工程(S102)に移行する。圧電振動素子100を図6(b)に示すように、パッケージ200内部に形成された載置部211、212に圧電振動素子100を図示しない圧電振動素子100の一方の面上に形成された接続電極をパッケージ200の開口側に向けて支持部21、22を載置し、接着剤221、222により圧電振動素子100をパッケージ200に固着する。
(Piezoelectric vibration element mounting process)
Next, the process proceeds to the piezoelectric vibration element mounting step (S102). As shown in FIG. 6B, the
次に圧電振動素子100の接続電極と載置部211、212に設けた電極231、232とを導電ワイヤー241、242によって電気的に接続する、いわゆるワイヤーボンディングを行う。電極231、232からは図示しない配線によってパッケージ200の外部に形成した外部接続電極251、252に繋がっている。
Next, so-called wire bonding is performed in which the connection electrodes of the
(離調工程)
続いて、離調工程(S103)に移行する。離調工程(S103)では、実装した状態で圧電振動素子100の離調を行う。離調は駆動振動の周波数と検出振動の周波数を所望の値だけ離して調整することであり、駆動周波数に影響を受けずに角速度の検出精度を向上させることができる。
(Detuning process)
Subsequently, the process proceeds to a detuning step (S103). In the detuning step (S103), the
離調は、図6(c)に示すように、圧電振動素子100の調整部41、42、43、44にAu膜で形成した調整部材51、52、53、54に図示しないレーザー装置からYAGレーザーなどのレーザー光300を照射して、調整部材51、52、53、54の一部を除去して行う。検出腕30における検出振動(屈曲振動および捩れ振動)の周波数はあらかじめ調整部材51、52、53、54を付加することで所望の周波数より低く設定されている。ここで、レーザー光を照射して調整部材51、52、53、54の一部を除去することで、調整部41、42、43、44の質量が減り、検出腕30の検出振動の周波数が高くなる方向で調整を行う。調整部材51、52、53、54を除去する方法としては、YAGレーザーの他に電子ビーム、逆スパッタリングなどの手法を用いることができる。
As shown in FIG. 6C, the detuning is performed by adjusting YAG from the laser device (not shown) to the adjusting
また、圧電振動素子100が透明な水晶基板であるため、圧電振動素子100の裏面、すなわちパッケージ200の載置部211、212側になる面に形成された調整部材51、52、53、54に対しても、水晶基板を透過してレーザー光を照射することが可能となる。これにより、離調範囲を広くすることができるので、生産性、歩留まりの向上が可能となる。なお、離調を行う前に真空アニールなどの熱処理を行っても良い。このようにすれば、後段の工程において熱などの影響で離調した周波数がずれにくくなり、精度の良い離調を維持することができる。また、圧電振動素子の状態で離調を行うことは可能であるが、圧電振動素子と支持部材との接合などにおいて、周波数がずれることがあり、少なくとも圧電振動素子と支持部材とを接合した以降に離調を行うことが好ましい。
Further, since the
上述の実施形態では調整部材51、52、53、54としてAu膜を形成したが、調整部材を形成せずに、直接調整部41、42、43、44の水晶基板を部分的に除去することで離調することも可能である。
In the above-described embodiment, the Au film is formed as the
次に、封止工程(S104)に移行する。封止工程(S104)において、圧電振動素子100を実装したパッケージ200の内部を気密に封止する。図6(d)に示すように、パッケージ200の上面に配置した蓋体400がコバールなどの金属の場合、蓋体400とパッケージ200の接合部をシーム溶接してパッケージ200内部を不活性雰囲気または減圧雰囲気で気密に封止する。また、蓋体400に透明ガラスを用いた場合、蓋体400とパッケージ200の接合面213に低融点ガラスを配置して低融点ガラスの溶融による接合を行い、パッケージ200内部を不活性雰囲気または減圧雰囲気で気密に封止する。このようにして角速度センサー500が完成する。
Next, the process proceeds to the sealing step (S104). In the sealing step (S104), the inside of the
なお、蓋体400に透明ガラスを用いた場合、レーザー光が蓋体400を透過して調整部材51、52、53、54に照射して加工することができるため、封止工程の後で離調工程を実施することが可能である。
When transparent glass is used for the
〔第2実施形態〕
圧電振動素子が、複数の検出腕を備えた実施形態について説明する。図7は検出腕を2本備える圧電振動素子であり、第1実施例同様にZカットの水晶基板から形成されている。圧電振動素子600は、両端に支持部621、622を備えX軸方向に延在する駆動梁610と、駆動梁610に直交しY軸方向に延出する2本の検出腕631、632を備えている。
[Second Embodiment]
An embodiment in which the piezoelectric vibration element includes a plurality of detection arms will be described. FIG. 7 shows a piezoelectric vibration element having two detection arms, which is formed of a Z-cut quartz substrate as in the first embodiment. The
駆動梁610と検出腕631、632の交差部には第1実施形態同様に調整部641、642、643、644、645、646、647、648が設けられ、各調整部には調整部材651、652、653、654、655、656、657、658が設けられている。
As in the first embodiment,
駆動梁610は、図7に示すように、支持部621と連接する第1駆動梁610a、支持部622と連接する第2駆動梁610b、検出腕631と検出腕632の間に連接する連接部610cから構成されている。圧電振動素子600の動作を図8(a)(b)に示す。第1駆動梁610aと第2駆動梁610bは互いに捩れ回転方向を逆方向となる異相捩れ振動モード、すなわち図8(a)では第1駆動梁610aがA方向、第2駆動梁610bがA方向とは逆のB方向に、図8(b)では第1駆動梁610aがB方向、第2駆動梁610bがB方向とは逆のA方向に捩れ駆動し、図8(a)(b)が交互に駆動する捩れ振動モードが与えられている。
As shown in FIG. 7, the
この時、連接部610cは駆動のための電極配線は備えられてなく、捩り振動は発生しない梁となっている。このようにして、駆動梁610の捩り振動モードは、検出腕631、632が互いに逆相の面外振動となる屈曲振動となる。すなわち、図8(a)(b)に示すように、検出腕631、632の先端部に付した矢印方向の逆相振動している。
At this time, the connecting
上述のように駆動する圧電振動素子600に対してY方向に回転軸を持つ角速度ωが負荷された場合、第1実施形態同様に検出腕631、632にはコリオリ力によって面内屈曲振動が発生し、この面内屈曲振動を検出して角速度ωを演算する。
When an angular velocity ω having a rotation axis in the Y direction is applied to the
この時、駆動梁610に第2実施形態のように2本の検出腕631、632を備えた場合、2本の検出腕631、632が逆相に振動することによって、駆動梁610を回転軸とする捩れモーメントが打ち消され、支持部621、622での回転運動が抑制される。従って、パッケージに固定される支持部621、622を通して捩れ振動がパッケージに伝達することを抑制でき、角速度センサーの感度を高めることができる。
At this time, when the
10…駆動梁、21,22…支持部、30…検出腕、41,42,43,44…調整部、51,52,53,54…調整部材。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
両端に支持部を備え、捩れ振動モードで振動する梁と、
前記梁の伸長方向に対して直交して延出し回転運動を検出する1以上の検出腕と、を備え、
前記梁と前記検出腕の腕側辺との交差部には、前記梁の側面の一部と、前記検出腕の側面の一部とを含んで延在する調整部を備える、
ことを特徴とする圧電振動素子。 A piezoelectric vibration element that detects rotational movement by a piezoelectric effect according to Coriolis force generated by angular velocity,
Beams with support at both ends and vibrating in torsional vibration mode,
One or more detection arms that extend perpendicular to the direction of extension of the beam and detect rotational movement,
The crossing portion between the beam and the arm side of the detection arm includes an adjustment portion that extends to include a part of the side surface of the beam and a part of the side surface of the detection arm.
The piezoelectric vibration element characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動素子。 A metal film is formed on the adjustment portion, and adjustment is performed by removing a part of the metal film.
The piezoelectric vibration element according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動素子。 Adjust by removing a part of the base material of the piezoelectric vibration element of the adjustment unit,
The piezoelectric vibration element according to claim 1.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2015518971A (en) * | 2012-06-04 | 2015-07-06 | カスタム センサーズ アンド テクノロジーズ インコーポレイテッド | Torsion speed measurement gyroscope |
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