JP2015078998A - 振動素子、振動素子の支持構造及び振動デバイス - Google Patents
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振動ジャイロ素子として、例えば、中央の基部から延出する検出振動系と、略T字型の駆動振動系を中央の基部に左右対称となるように配置したダブルT型と呼ばれる振動ジャイロ素子が知られている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、上記の振動ジャイロ素子は、圧電材料である水晶を基材として、所定の方向にカットした平板から、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチングにより形成されているものが多い。
このことから、振動ジャイロ素子は、例えば、特許文献1の図5に示されているような、基部10からX軸のプラス方向に延出し、Y軸方向に屈曲した後、X軸のマイナス方向に折り返す梁30b,31bの、折り返し部の各角部の内側に、平面視において、角部の内側を隅切りしたような略三角形のヒレ状の異形部が生じることがある。
そして、振動ジャイロ素子は、上記異形部が、平面視において互いに接することがある。
この結果、振動ジャイロ素子は、梁が破損する虞がある。
そして、第1折り返し部の第1延出部と第3延出部とは、角部の内側に生じる第1異形部と第2異形部とが、平面視において互いに接しない間隔で配置されている。
したがって、振動ジャイロ素子は、第1異形部と第2異形部とが、平面視において互いに接しないことから、第1折り返し部に従来のような切り欠き状部分が形成されず、外部から振動、衝撃などが加わり第1の梁が撓んだ際の、第1折り返し部における応力集中が緩和される。
この結果、振動ジャイロ素子は、第1の梁の耐衝撃性が向上することから、第1の梁の破損を低減できる。
なお、本発明に係る記載では、「X軸」という文言を、X軸及びX軸を中心に0度より大きく2度以下の範囲の傾斜をした軸を意味するものとして用いる。「Y軸」および「Z軸」についても同様とする。
この結果、振動ジャイロ素子は、第1異形部と第2異形部とが、平面視において互いに接しないことから、第1折り返し部に、従来のような切り欠き状部分が形成されない。
これにより、振動ジャイロ素子は、外部から振動、衝撃などが加わり第1の梁が撓んだ際の、第1折り返し部における応力集中が緩和される。
この結果、振動ジャイロ素子は、第1の梁の耐衝撃性が向上することから、第1の梁の破損を低減できる。
そして、第4延出部と第6延出部とは、角部の内側に生じる第3異形部と第4異形部とが、平面視において互いに接しない間隔で配置されている。
したがって、振動ジャイロ素子は、第3異形部と第4異形部とが、平面視において互いに接しないことから、第2折り返し部に従来のような切り欠き状部分が形成されず、外部から振動、衝撃などが加わり第2の梁が撓んだ際の、第2折り返し部における応力集中が緩和される。
この結果、振動ジャイロ素子は、上記適用例の第1の梁に加えて、第2の梁の耐衝撃性が向上することから、第1の梁及び第2の梁の破損を低減できる。
この結果、振動ジャイロ素子は、第3異形部と第4異形部とが、平面視において互いに接しないことから、第2折り返し部に、従来のような切り欠き状部分が形成されない。
これにより、振動ジャイロ素子は、外部から振動、衝撃などが加わり第2の梁が撓んだ際の、第2折り返し部における応力集中が緩和される。
この結果、振動ジャイロ素子は、第2の梁の耐衝撃性が向上することから、第2の梁の破損を低減できる。
これにより、振動ジャイロ素子は、梁の弾性が向上することから、検出感度及び耐衝撃性を向上させることができる。
これにより、振動ジャイロ素子は、梁の弾性が向上することから、検出感度及び耐衝撃性を向上させることができる。
また、振動ジャイロ素子の支持構造は、振動ジャイロ素子の支持部に漏洩してきている微小な振動を、固定部材が緩衝材として吸収することから、微小な振動による駆動振動及び検出振動への影響を低減することができる。
(実施形態)
振動ジャイロ素子1は、圧電材料である水晶を基材(主要部分を構成する材料)として形成されている。水晶は、電気軸と呼ばれるX軸、機械軸と呼ばれるY軸及び光学軸と呼ばれるZ軸を有している。
そして、振動ジャイロ素子1は、水晶結晶軸において直交するX軸及びY軸で規定される平面に沿って切り出されて平板状に加工され、平面と直交するZ軸方向に所定の厚みを有している。なお、所定の厚みは、発振周波数(共振周波数)、外形サイズ、加工性などにより適宜設定される。
振動ジャイロ素子1は、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング(ウエットエッチングまたはドライエッチング)により形成されている。なお、振動ジャイロ素子1は、1枚の水晶ウエハーから複数個取りすることが可能である。
振動ジャイロ素子1は、中心部分に位置する基部10と、基部10からY軸に沿って、直線状に、一方がY軸のプラス方向へ延出され、他方がY軸のマイナス方向へ延出された1対の検出用振動腕11a,11bと、検出用振動腕11a,11bと直交するように、基部10からX軸に沿って、直線状に、一方がX軸のプラス方向へ延出され、他方がX軸のマイナス方向へ延出された1対の連結腕13a,13bと、検出用振動腕11a,11bと平行になるように、各連結腕13a,13bの先端側からY軸に沿って、直線状に、一方がY軸のプラス方向へ延出され、他方がY軸のマイナス方向へ延出された各1対の駆動用振動腕14a,14b,15a,15bとを備えている。
振動ジャイロ素子1は、検出用振動腕11a,11bで、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とで、振動ジャイロ素子1を駆動する駆動振動系を構成している。
これにより、振動ジャイロ素子1は、小型化および角速度の検出感度の向上が図られている。なお、検出用振動腕11a,11bには、重り部12a,12bが含まれ、駆動用振動腕14a,14b,15a,15bには、重り部16a,16b,17a,17bが含まれている。
梁20aは、連結腕13aと検出用振動腕11aとの間の基部10の外縁から延出されている。
第1の梁としての梁20bは、X軸方向において、基部10よりプラス側に位置する連結腕13bと、Y軸方向において、基部10よりプラス側に位置する検出用振動腕11aとの間の基部10の外縁から延出されている。
梁21aは、連結腕13aと検出用振動腕11bとの間の基部10の外縁から延出されている。
そして、第2の梁としての梁21bは、X軸方向において、基部10よりプラス側に位置する連結腕13bと、Y軸方向において、基部10よりマイナス側に位置する検出用振動腕11bとの間の基部10の外縁から延出されている。
これにより、梁20aには、第2折り返し部21cと回転対称形状の折り返し部20dが形成され、梁21aには、第1折り返し部20cと回転対称形状の折り返し部21dが形成されている。
なお、支持部22と支持部23とは、振動ジャイロ素子1の重心Gを回転中心として、回転対称形状となっていることが、バランス上好ましい。
振動ジャイロ素子1は、支持部22,23が後述する支持台などに固定されることにより、支持される。
図2に示すように、梁20bの第1折り返し部20cには、第1延出部20b1と第2延出部20b2とで角部20c1が形成され、第2延出部20b2と第3延出部20b3とで角部20c2が形成されている。
上述したように、振動ジャイロ素子1は、水晶を基材としてエッチング(主としてウエットエッチング)により形成されている。水晶は、エッチングに対して異方性(以下、エッチング異方性ともいう)を有しており、結晶軸に対するエッチング方向によってエッチングレートが異なる。
なお、この第1異形部H1、第2異形部H2は、小さくしようとするとオーバーエッチングとなり、振動ジャイロ素子1における本来必要な形状を損ねることになる。したがって、振動ジャイロ素子1において、第1異形部H1、第2異形部H2の除去は、非常に困難であるといえる。
これらを踏まえて、梁20bの第1折り返し部20cの第1延出部20b1と、第3延出部20b3とは、角部20c1の内側に生じる第1異形部H1と、角部20c2の内側に生じる第2異形部H2とが、平面視において互いに接しない間隔W1を有して配置されている。
なお、梁20bと同様に、この第3異形部H3、第4異形部H4は、小さくしようとするとオーバーエッチングとなり、振動ジャイロ素子1における本来必要な形状を損ねることになる。したがって、振動ジャイロ素子1において、第3異形部H3、第4異形部H4の除去は、非常に困難であるといえる。
これらを踏まえて、梁21bの第2折り返し部21cの第4延出部21b1と、第6延出部21b3とは、角部21c1の内側に生じる第3異形部H3と、角部21c2の内側に生じる第4異形部H4とが、平面視において互いに接しない間隔W2を有して配置されている。
このことから、振動ジャイロ素子1は、従来のような、第1異形部H1と2点鎖線で示す第2異形部H2’とが、平面視において互いに接することによる切り欠き状部分K1が形成されず、第3異形部H3と2点鎖線で示す第4異形部H4’とが、平面視において互いに接することによる切り欠き状部分K2が形成されない。
この結果、振動ジャイロ素子1は、外部から振動、衝撃などが加わり梁20b,21bが撓んだ際の、第1折り返し部20c及び第2折り返し部21cに発生する応力集中の緩和を図ることができる。
より具体的には、例えば、振動ジャイロ素子1の厚みTを100μmとしたときに、間隔W1,W2は、73μm以上が好ましく、83μm以上がより好ましく、167μm以上が特に好ましい。
また、間隔W1,W2の上限に関しては、検出感度上の制約、外形サイズ上の制約、及び加工上の制約などから自ずと設定され得る。
また、振動ジャイロ素子1において、エッチング異方性により、梁20aの根元部と基部10との間の角部、連結腕13aの根元部と基部10との間の各角部、梁21aの根元部と基部10との間の角部に、上記と同様の異形部が生じる虞があることから、梁20aの根元部と基部10との間隔及び梁21aの根元部と基部10との間隔は、広い方が好ましい。
図3及び図4は、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は駆動振動状態を示し、図4は、角速度が加わった状態における検出振動状態を示している。
なお、図3及び図4において、振動状態を簡易に表現するために、各振動腕及び各梁は線で表し、支持部は省略してある。
まず、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2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、基部10には、矢印Fで示すような力が働く。つまり、駆動用振動腕14a,14b,15a,15bの屈曲振動に従い、基部10には、引張りと圧縮の力が交互に働く振動が発生する。
この振動は、駆動用振動腕14a,14b,15a,15bの屈曲振動に比べて微小な振動である。
これにより、検出用振動腕11a,11bは、振動することがない。
まず、図4(a)に示すように、駆動振動系を構成する駆動用振動腕14a,14b,15a,15b及び連結腕13a,13bには、矢印B方向のコリオリ力が働く。また同時に、検出用振動腕11a,11bは、矢印B方向のコリオリ力に呼応して、矢印C方向に変形する。
振動ジャイロ素子1は、この一連の動作を交互に繰り返して新たな振動が励起される。
なお、矢印B,B’方向の振動は、重心Gに対して周方向の振動である。そして、振動ジャイロ素子1は、検出用振動腕11a,11bに形成された検出電極が、振動により発生した水晶の歪を検出することで角速度が求められる。
この矢印D,D’で示す基部10の外縁部の振動振幅は、矢印B,B’で示す駆動振動系の振動振幅、または矢印C,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。微小ではあるが、例えば、基部10を固定した場合には、この固定により基部10の外縁部の振動が抑制され、検出振動も抑制される。
このことから、振動ジャイロ素子1において、基部10を固定することは、角速度の検出感度を低下させることになる。
図5は、ジャイロセンサーの概略構成を示す模式断面図である。図5では、振動ジャイロ素子1を図1のF−F線での断面として表している。
IC84には、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振動ジャイロ素子1に生じる検出振動を検出する検出回路とが含まれている。
また、中継基板82には、図示しない配線が形成され、振動ジャイロ素子1の電極と配線間との導通が、導電性を有する固定部材83を介してなされている。
この固定部材83は、弾性を有する材料であることが好ましい。弾性を有する材料としては、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。また、固定部材83には、エポキシ系の導電性接着剤などを用いてもよい。
そして、ジャイロセンサー80は、収容器81内が真空に保持され、収容器81上部の開口部分が、コバールなどの金属を用いた蓋体86にて封止されている。
加えて、振動ジャイロ素子1において、梁21bの第2折り返し部21cの第4延出部21b1と、第6延出部21b3とは、角部21c1の内側に生じる第3異形部H3と、角部21c2の内側に生じる第4異形部H4とが、平面視において互いに接しない間隔W2を有して配置されている。
この結果、振動ジャイロ素子1は、外部から振動、衝撃などが加わり梁20b,21bが撓んだ際の、第1折り返し部20c及び第2折り返し部21cに発生する応力集中の緩和を図ることができる。
これにより、振動ジャイロ素子1は、梁20b及び梁21bの耐衝撃性が向上することから、梁20b及び梁21bの破損を低減できる。
なお、振動ジャイロ素子1は、各梁20a,20b,21a,21bが回転対称形状に形成されなくてもよく、支持部22と支持部23とが回転対称形状に形成されなくてもよい。また、振動ジャイロ素子1は、間隔W1と間隔W2とが等しいことがバランス上好ましいが、間隔W1と間隔W2とが等しくなくてもよい。
また、振動ジャイロ素子1の支持構造は、支持部22,23に漏洩してきている微小な振動を、固定部材83が緩衝材として吸収することから、微小な振動による駆動振動及び検出振動への影響を低減することができる。
ここで、振動ジャイロ素子1の変形例1について、図6、図7を用いて説明する。
図6は、振動ジャイロ素子の変形例1を示す模式平面図である。図7は、図6のJ部の拡大図である。なお、上記実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。
梁120aは、X軸方向において、基部10よりマイナス側に位置する連結腕13aと、Y軸方向において、基部10よりプラス側に位置する検出用振動腕11aとの間の基部10の外縁から延出されている。
梁121aは、X軸方向において、基部10よりマイナス側に位置する連結腕13aと、Y軸方向において、基部10よりマイナス側に位置する検出用振動腕11bとの間の基部10の外縁から延出されている。
この結果、振動ジャイロ素子2は、上記実施形態の振動ジャイロ素子1と比較して、耐衝撃性に優れる。
しかしながら、振動ジャイロ素子2は、角部3c1,3c2,4c1,4c2の位置が、特許文献1の図5に示されている梁30b,31bの折り返し部と比較して、支持部22,23と基部10との中間に近いことなどから、外部から振動、衝撃などが加わり梁120a,121aが撓んだ際に、角部3c1,3c2,4c1,4c2周辺に発生する応力が小さい。
この結果、振動ジャイロ素子2は、角部3c1,3c2,4c1,4c2周辺に発生する応力が、応力集中によっても梁120a,121aの有する機械的強度(許容応力)内に収まることから、梁120a,121aの破損を回避できる。
ここで、振動ジャイロ素子1の変形例2について、図8を用いて説明する。
図8は、振動ジャイロ素子の変形例2を示す模式的平面図である。なお、上記実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。
つまり、振動ジャイロ素子3は、基部10が梁20b及び梁20aのみによって支持部22に接続され支持されている。
なお、振動ジャイロ素子3は、上記実施形態のジャイロセンサー80に適用可能である。
Claims (9)
- 水晶を基材とし、X軸とY軸とで規定される平面に沿った平板状に形成され、Z軸方向に厚みを有する振動ジャイロ素子であって、
基部と、
前記基部から前記Y軸に沿って、一方が前記Y軸のプラス方向へ延出され、他方が前記Y軸のマイナス方向へ延出された1対の検出用振動腕と、
前記基部から前記X軸に沿って、一方が前記X軸のプラス方向へ延出され、他方が前記X軸のマイナス方向へ延出された1対の連結腕と、
前記各連結腕の先端側から前記Y軸に沿って、一方が前記Y軸のプラス方向へ延出され、他方が前記Y軸のマイナス方向へ延出された各1対の駆動用振動腕と、
前記基部から延出される少なくとも2本の梁と、
前記各梁の先端部に接続される支持部とを備え、
前記各梁はエッチングにより形成されると共に、
前記各梁の1つである第1の梁が、前記X軸方向において、前記基部よりプラス側に位置する前記連結腕と、前記Y軸方向において、前記基部よりプラス側に位置する前記検出用振動腕との間の前記基部の外縁から延出され、
前記第1の梁は、前記基部から前記X軸に沿って前記X軸のプラス方向に延出する第1延出部と、
前記第1延出部の先端部から前記Y軸に沿って前記Y軸のプラス方向に延出する第2延出部と、
前記第2延出部の先端部から前記X軸に沿って前記X軸のマイナス方向に延出する第3延出部とを含む第1折り返し部を有して構成され、
前記第1延出部と前記第3延出部とは、前記第1折り返し部の前記第1延出部と前記第2延出部とで形成される角部の内側に生じる第1異形部と、前記第2延出部と前記第3延出部とで形成される角部の内側に生じる第2異形部とが、平面視において互いに接しない間隔で配置されていることを特徴とする振動ジャイロ素子。 - 請求項1に記載の振動ジャイロ素子において、前記振動ジャイロ素子の前記厚みをTとし、前記第1折り返し部の前記第1延出部と前記第3延出部との間隔をW1としたときに、W1/T≧0.73であることを特徴とする振動ジャイロ素子。
- 請求項1または2に記載の振動ジャイロ素子において、前記各梁の1つである第2の梁が、前記X軸方向において、前記基部よりプラス側に位置する前記連結腕と、前記Y軸方向において、前記基部よりマイナス側に位置する前記検出用振動腕との間の前記基部の外縁から延出され、
前記第2の梁は、前記基部から前記X軸に沿って前記X軸のプラス方向に延出する第4延出部と、
前記第4延出部の先端部から前記Y軸に沿って前記Y軸のマイナス方向に延出する第5延出部と、
前記第5延出部の先端部から前記X軸に沿って前記X軸のマイナス方向に延出する第6延出部とを含む第2折り返し部を有して構成され、
前記第4延出部と前記第6延出部とは、前記第2折り返し部の前記第4延出部と前記第5延出部とで形成される角部の内側に生じる第3異形部と、前記第5延出部と前記第6延出部とで形成される角部の内側に生じる第4異形部とが、平面視において互いに接しない間隔で配置されていることを特徴とする振動ジャイロ素子。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子において、前記振動ジャイロ素子の前記厚みをTとし、前記第2折り返し部の前記第4延出部と前記第6延出部との間隔をW2としたときに、
W2/T≧0.73であることを特徴とする振動ジャイロ素子。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子において、前記各梁の1つである第3の梁が、前記X軸方向において、前記基部よりマイナス側に位置する前記連結腕と、前記Y軸方向において、前記基部よりプラス側に位置する前記検出用振動腕との間の前記基部の外縁から延出され、
前記第3の梁は、前記基部から前記X軸に沿って前記X軸のマイナス方向に延出する第7延出部と、
前記第7延出部の先端部から前記Y軸に沿って前記Y軸のプラス方向に延出する第8延出部と、
前記第8延出部の先端部から前記X軸に沿って前記X軸のプラス方向に延出する第9延出部と、前記第9延出部の先端部から前記Y軸に沿って前記Y軸のプラス方向に延出する第10延出部と、前記第10延出部の先端部から前記X軸に沿って前記X軸のマイナス方向に延出する第11延出部とを含む第3折り返し部を有して構成されていることを特徴とする振動ジャイロ素子。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子において、前記各梁の1つである第4の梁が、前記X軸方向において、前記基部よりマイナス側に位置する前記連結腕と、前記Y軸方向において、前記基部よりマイナス側に位置する前記検出用振動腕との間の前記基部の外縁から延出され、
前記第4の梁は、前記基部から前記X軸に沿って前記X軸のマイナス方向に延出する第12延出部と、
前記第12延出部の先端部から前記Y軸に沿って前記Y軸のマイナス方向に延出する第13延出部と、
前記第13延出部の先端部から前記X軸に沿って前記X軸のプラス方向に延出する第14延出部と、
前記第14延出部の先端部から前記Y軸に沿って前記Y軸のマイナス方向に延出する第15延出部と、
前記第15延出部の先端部から前記X軸に沿って前記X軸のマイナス方向に延出する第16延出部とを含む第4折り返し部を有して構成されていることを特徴とする振動ジャイロ素子。 - 請求項1に記載の振動ジャイロ素子において、前記各梁が、前記振動ジャイロ素子の重心に対して回転対称であることを特徴とする振動ジャイロ素子。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子と、
前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
前記振動ジャイロ素子の前記支持部と前記支持台とを固定するための固定部材とを備える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振動ジャイロ素子の支持構造。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の振動ジャイロ素子と、
前記振動ジャイロ素子が載置される支持台と、
前記振動ジャイロ素子の前記支持部と前記支持台とを固定するための固定部材と、
前記振動ジャイロ素子を駆動振動させるための駆動回路と、
前記振動ジャイロ素子に角速度が加わったときに前記振動ジャイロ素子に生じ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ー。
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