JP2020204506A - Vibration gyroscope - Google Patents

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和貴 荒屋
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Abstract

To provide a vibration gyroscope using a single crystal piezoelectric material.SOLUTION: A vibration gyroscope includes: (a) a piezoelectric substrate 12 having a pair of main surfaces 12s, 12t opposed to each other, and having a shape line-symmetrical with each of two drive shafts in parallel to the main surfaces 12s and 12t and orthogonal to each other and two detection shafts that equally divide a space between the drive shafts being a center; (b) drive electrodes 21 to 28, 31 to 38 for applying an electric field for vibrating the piezoelectric substrate 12 in a drive axis direction to the piezoelectric substrate 12; and (c) detection electrodes 41 to 28, 51 to 58 for detecting electric charges excited in the piezoelectric substrate 12 by vibration in a detection shaft direction of the piezoelectric substrate 12. The piezoelectric substrate 12 is made of a single crystal piezoelectric material classified into a point group 3m of a trigonal system, and is cut out so that elastic compliance in a direction of the main surfaces 12s and 12t of the piezoelectric substrate 12 becomes substantially constant regardless of an orientation in the main surfaces 12s and 12t.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は振動ジャイロに関し、詳しくは、縮退モードのワイングラス振動あるいは円環広がり振動で駆動、検出する振動ジャイロに関する。 The present invention relates to a vibration gyro, and more particularly to a vibration gyro driven and detected by a wine glass vibration in a degenerate mode or a ring spreading vibration.

近年、自動車の自動運転や鉄道の自動操舵台車といった技術が注目されている。これらの制御には、自車の姿勢を高精度でセンシング可能な角速度センサ(ジャイロスコープ、以下、「ジャイロ」という。)が必要不可欠である。このような用途には、従来、バイアス安定性が0.01〜1°/h程度を実現する光ファイバージャイロやリングレーザージャイロ等の光学式が用いられているが、非常に高価である。そこで、バイアス安定性が10〜1,000°/h程度で比較的安価なMEMS振動ジャイロの高性能化が期待されている。 In recent years, technologies such as automatic driving of automobiles and automatic steering bogies of railways have attracted attention. For these controls, an angular velocity sensor (gyroscope, hereinafter referred to as "gyro") capable of sensing the attitude of the own vehicle with high accuracy is indispensable. Conventionally, optical types such as an optical fiber gyro and a ring laser gyro that realize a bias stability of about 0.01 to 1 ° / h have been used for such applications, but they are very expensive. Therefore, it is expected that the performance of the relatively inexpensive MEMS vibrating gyro having a bias stability of about 10 to 1,000 ° / h will be improved.

MEMS振動ジャイロの駆動検出方式には静電型や圧電型があり、その性能は電気機械結合係数、Q値ともに高いほど良い。高いQ値が期待できる単結晶材料が利用可能な静電型や水晶を用いた圧電型は、結合係数が低い。一方で、高い結合係数を有するチタン酸ジルコン酸鉛(以下、「PZT」という。)などのペロブスカイト型圧電材料は、多結晶であるため、Q値が数100程度と低い。 There are electrostatic type and piezoelectric type as the drive detection method of the MEMS vibration gyro, and the higher the electromechanical coupling coefficient and the Q value, the better the performance. The electrostatic type, which can use a single crystal material that can be expected to have a high Q value, and the piezoelectric type, which uses quartz, have a low coupling coefficient. On the other hand, a perovskite-type piezoelectric material such as lead zirconate titanate (hereinafter referred to as "PZT") having a high bonding coefficient is polycrystalline and has a low Q value of about several hundreds.

そこで高い結合係数と、10,000以上の高いQ値とを兼ね備えたイルメナイト型単結晶圧電材料であるニオブ酸リチウム(LiNbO、以下、「LN」という。)を用いた音叉型振動ジャイロが開発されている。しかし,脆性材料であるLNは機械加工が困難であり、エッチング耐性も非常に高いため、設計自由度が低く、その性能は頭打ちになっている。 Therefore, a tuning fork type vibration gyro using lithium niobate (LiNbO 3 , hereinafter referred to as "LN"), which is an ilmenite type single crystal piezoelectric material having a high coupling coefficient and a high Q value of 10,000 or more, was developed. Has been done. However, LN, which is a brittle material, is difficult to machine and has a very high etching resistance, so that the degree of freedom in design is low and its performance has reached a plateau.

MEMS振動ジャイロには音叉型の他に、プレート型やリング・ディスク型がある。これらでは、駆動振動と検出振動の共振周波数を一致させ、縮退モードで駆動、検出し、駆動、検出周波数を低くすることで高性能化が可能であり、対称構造にすることで他軸感度の低減も可能である。現在、静電プレート型や静電リング型が報告されており、バイアス安定性は0.1°/h台を実現している。 In addition to the tuning fork type, the MEMS vibrating gyro includes a plate type and a ring disc type. In these, it is possible to improve the performance by matching the resonance frequency of the drive vibration and the detection vibration, driving and detecting in the degenerate mode, and lowering the driving and detection frequency, and by making it a symmetrical structure, the sensitivity of other axes can be increased. Reduction is also possible. Currently, electrostatic plate type and electrostatic ring type have been reported, and the bias stability is in the 0.1 ° / h range.

例えば図24は、PZTの多結晶圧電セラミックのディスク型振動ジャイロの断面図である。図24に示すように、ディスク型の圧電基板101の主面103に、円周方向に8分割された電極105〜112が形成されている。振動回路及び能動ゲイン制御システム117の一方の端子Tに、互いに対向する電極105,106が接続され、他方の端子Tに互いに対向する電極107,108が接続されている。また、フィードバックシステム18の一方の端子Tに、互いに対向する電極109,110が接続され、他方の端子Tに互いに対向する電極111,112が接続されている。電極105,106と電極107,108とによって逆位相の電界を厚み方向に印加して圧電基板101を駆動し、電極109,110と電極111,112との電荷を検出する(例えば、特許文献1参照)。 For example, FIG. 24 is a cross-sectional view of a disc-type vibrating gyro made of PZT polycrystalline piezoelectric ceramic. As shown in FIG. 24, electrodes 105 to 112 divided into eight in the circumferential direction are formed on the main surface 103 of the disc-type piezoelectric substrate 101. Electrodes 105 and 106 facing each other are connected to one terminal T 1 of the vibration circuit and the active gain control system 117, and electrodes 107 and 108 facing each other are connected to the other terminal T 2 . Further, electrodes 109 and 110 facing each other are connected to one terminal T 3 of the feedback system 18, and electrodes 111 and 112 facing each other are connected to the other terminal T 4 . An electric field of opposite phase is applied in the thickness direction by the electrodes 105, 106 and the electrodes 107, 108 to drive the piezoelectric substrate 101, and the charges between the electrodes 109, 110 and the electrodes 111, 112 are detected (for example, Patent Document 1). reference).

図25は、単結晶圧電材料の音叉型ジャイロの斜視図である。図25に示すように、この音叉型ジャイロは、アームの内側と外側、アームの表面と裏面において、駆動電極及び/または検出電極を非対称に形成して、不正振動と漏れ出力とを少なくするように構成されている。すなわち、一方のアーム202の表裏面の内側に設ける駆動電極211は、その表裏面の外側に設ける駆動電極213より小さい。他方のアーム203の外側側面に設ける検出電極224の長さは、符号xで示す寸法分が短い。アーム202の表裏面に設ける駆動電極211,213は、アーム202とベース204との境界位置からベース204側に、符号fで示す寸法分だけ延在する。アーム203の表裏面に設ける検出電極221は、アーム203とベース204との境界位置からベース204側に、符号gで示す寸法分だけ延在する(例えば、特許文献2参照)。 FIG. 25 is a perspective view of a tuning fork type gyro made of a single crystal piezoelectric material. As shown in FIG. 25, this tuning fork type gyro asymmetrically forms drive electrodes and / or detection electrodes on the inside and outside of the arm and on the front and back surfaces of the arm to reduce irregular vibration and leakage output. It is configured in. That is, the drive electrode 211 provided inside the front and back surfaces of one arm 202 is smaller than the drive electrode 213 provided outside the front and back surfaces thereof. The length of the detection electrode 224 provided on the outer side surface of the other arm 203 is short by the dimension indicated by the reference numeral x. The drive electrodes 211 and 213 provided on the front and back surfaces of the arm 202 extend from the boundary position between the arm 202 and the base 204 to the base 204 side by the dimension indicated by the reference numeral f. The detection electrodes 221 provided on the front and back surfaces of the arm 203 extend from the boundary position between the arm 203 and the base 204 to the base 204 side by the dimension indicated by the reference numeral g (see, for example, Patent Document 2).

米国特許第4655081号明細書U.S. Pat. No. 4,650,081 特許第3336451号公報Japanese Patent No. 3336451

特許文献1の振動ジャイロは、PZTセラミック板107に用いるPZTが多結晶であるため、結晶粒界や方位のばらつきに起因する機械的損失が大きい。特許文献2のジャイロ210は、高い加工精度が必要である。また、常に面外(検出)振動への漏れ振動が高精度化への課題になる。 In the vibrating gyro of Patent Document 1, since PZT used for the PZT ceramic plate 107 is polycrystalline, mechanical loss due to variations in grain boundaries and orientation is large. The gyro 210 of Patent Document 2 requires high processing accuracy. In addition, leakage vibration to out-of-plane (detection) vibration is always an issue for high accuracy.

前述したように、逆圧電効果を駆動、圧電効果を検出に用いる方式の振動ジャイロは、一般に電気機械結合係数が高いので、高性能化に最も適している。また、単結晶材料は、多結晶材料に比べ、材料内部の損失が小さいため、高い振動Q値が期待できる。このため、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロが求められる。 As described above, the vibration gyro of the type that drives the inverse piezoelectric effect and uses the piezoelectric effect for detection generally has a high electromechanical coupling coefficient, and is most suitable for high performance. Further, since the loss inside the single crystal material is smaller than that of the polycrystalline material, a high vibration Q value can be expected. Therefore, a vibrating gyro using a single crystal piezoelectric material is required.

ジャイロの構造については音叉型やディスク型、半球型などがあるが、ジャイロの高性能化のためには、構造の対称性が高く中央で支持が可能なディスク型、半球型が好ましい。また、高性能化には、駆動方式として輪郭振動モードが好ましい。 The structure of the gyro includes a tuning fork type, a disc type, and a hemispherical type, but in order to improve the performance of the gyro, a disc type and a hemispherical type having high structural symmetry and being able to support in the center are preferable. Further, in order to improve the performance, the contour vibration mode is preferable as the drive method.

従来、静電容量検出型の単結晶シリコンのディスク構造、石英による半球、ドーナツ形状のデバイスが検討されている。しかしながら、静電容量検出は電気機械結合係数が小さいという課題がある。 Conventionally, capacitance detection type single crystal silicon disk structures, quartz hemispheres, and donut-shaped devices have been studied. However, capacitance detection has a problem that the electromechanical coupling coefficient is small.

単結晶圧電材料を用いたディスク型、半球型ジャイロは、これまで実現されていない。その理由は、単結晶材料の持つ物性(剛性,圧電特性など)の結晶異方性が課題となるからである。高い性能を得るためには、構造だけでなく、物性の非対称性が問題となる。 Disc-type and hemispherical-type gyros using single crystal piezoelectric materials have not been realized so far. The reason is that the crystal anisotropy of the physical properties (rigidity, piezoelectric characteristics, etc.) of the single crystal material becomes an issue. In order to obtain high performance, not only the structure but also the asymmetry of physical properties becomes a problem.

かかる実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロを提供することである。 In view of such circumstances, an object to be solved by the present invention is to provide a vibrating gyro using a single crystal piezoelectric material.

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した振動ジャイロを提供する。 The present invention provides a vibrating gyro configured as follows in order to solve the above problems.

振動ジャイロは、縮退モードのワイングラス振動あるいは円環広がり振動で駆動、検出する振動ジャイロであって、(a)互いに対向する一対の主面を有する圧電基板と、(b)前記圧電基板を、前記主面に平行かつ互いに直交する2つの駆動軸の方向に振動させる電界を前記圧電基板に印加するための駆動用電極と、(c)前記圧電基板の、前記駆動軸の間を等分する2つの検出軸の方向の振動によって前記圧電基板に励起される電荷を検出するための検出用電極と、を備える。前記圧電基板は、三方晶系の点群3mに分類される単結晶の圧電材料からなり、前記単結晶の結晶軸X,Y,ZのうちZ軸が分極方向であり、前記結晶軸X,Y,Zによる結晶XYZ座標系を右手系オイラー角の定義に従って、前記Z軸周りに角度ψ回転したX'Y'Z'座標系を、さらにX'軸周りに角度θ回転したX''Y''Z''座標が前記圧電基板のウエハ座標系であるとすると、2つの前記駆動軸と2つの前記検出軸とのうち一方は、X''軸又はY''軸に平行であり、2つの前記駆動軸と2つの前記検出軸とのうち他方は、前記X''軸及び前記Y''軸の間を等分する2つの直線のうち一方又は他方に平行であり、前記圧電基板の前記主面方向の弾性コンプライアンスが前記主面内の方位によらず略一定である。 The vibrating gyro is a vibrating gyro that is driven and detected by wine glass vibration or ring spreading vibration in a contraction mode, and (a) a piezoelectric substrate having a pair of main surfaces facing each other, and (b) the piezoelectric substrate. The drive electrodes for applying an electric field vibrating in the directions of the two drive shafts parallel to the main surface and orthogonal to each other to the piezoelectric substrate and (c) the drive shafts of the piezoelectric substrate are equally divided. A detection electrode for detecting the electric charge excited by the piezoelectric substrate by vibration in the directions of the two detection axes is provided. The piezoelectric substrate is made of a single-crystal piezoelectric material classified into a trigonal point group of 3 m, and the Z-axis of the single-crystal crystal axes X, Y, and Z is the polarization direction, and the crystal axis X, According to the definition of the right-handed Euler angle, the crystal XYZ coordinate system by Y and Z is rotated by an angle of ψ around the Z axis, and the X'Y'Z'coordinate system is further rotated by an angle of θ around the X'axis. Assuming that the "Z" coordinates are the wafer coordinate system of the piezoelectric substrate, one of the two drive axes and the two detection axes is parallel to the X "axis or the Y" axis. The other of the two drive shafts and the two detection shafts is parallel to one or the other of the two straight lines equally dividing between the X ″ axis and the Y ″ axis, and the piezoelectric substrate. The elastic compliance in the main surface direction is substantially constant regardless of the orientation in the main surface.

上記構成において、駆動用電極を用いて圧電基板に電界を印加して、圧電基板を駆動軸の方向に縮退モードで振動させ、検出軸の方向の縮退モードの振動で励起される電荷を検出用電極を用いて検出する。 In the above configuration, an electric field is applied to the piezoelectric substrate using the drive electrode to vibrate the piezoelectric substrate in the direction of the drive axis in the degenerate mode, and the electric charge excited by the vibration in the degenerate mode in the direction of the detection axis is detected. Detect using electrodes.

上記構成によれば、圧電基板は略等方であるので、機械特性が、動作モードに対応した方位で実質的に一定値であり、縮退モードで駆動し検出する振動ジャイロを構成することができる。 According to the above configuration, since the piezoelectric substrate is substantially isotropic, the mechanical characteristics are substantially constant in the orientation corresponding to the operation mode, and a vibration gyro that is driven and detected in the degenerate mode can be configured. ..

なお、「前記圧電基板の前記主面方向の弾性コンプライアンスが前記主面内の方位によらず略一定である」とは、圧電基板の主面方向の弾性コンプライアンスの主面内の方位による差が実質的に無視できる程度であることを意味し、後述する変動係数C.V.(ψ,θ)が1%未満である場合をいう。 It should be noted that "the elastic compliance of the piezoelectric substrate in the main surface direction is substantially constant regardless of the orientation in the main surface" means that the difference in the elastic compliance in the main surface direction of the piezoelectric substrate depends on the orientation in the main surface. It means that it is practically negligible, and means that the coefficient of variation CV (ψ, θ) described later is less than 1%.

好ましくは、前記圧電基板は、ニオブ酸リチウム(LN)の単結晶からなり、−4°<ψ<4°、かつ、63°<θ<67°である。 Preferably, the piezoelectric substrate is made of a single crystal of lithium niobate (LN) and has -4 ° <ψ <4 ° and 63 ° <θ <67 °.

この圧電基板の場合、弾性コンプライアンスの主面内における変動係数C.V.(ψ,θ)が1%未満である。 In the case of this piezoelectric substrate, the coefficient of variation C.V. (ψ, θ) in the main plane of elastic compliance is less than 1%.

好ましくは、前記圧電基板は、カット角が155°以上、かつ156°以下のYカット板である。 Preferably, the piezoelectric substrate is a Y-cut plate having a cut angle of 155 ° or more and 156 ° or less.

この場合、前記変動係数がほぼ0であり、駆動軸、検出軸方向の共振周波数が概略一致する。 In this case, the coefficient of variation is almost 0, and the resonance frequencies in the drive shaft and the detection shaft directions are substantially the same.

上述したように、圧電基板は、2つの駆動軸及び2つの検出軸それぞれを中心として線対称な形状である。 As described above, the piezoelectric substrate has a line-symmetrical shape centered on each of the two drive shafts and the two detection shafts.

好ましくは、前記圧電基板の前記形状は、円形又は正多角形である。 Preferably, the shape of the piezoelectric substrate is circular or regular polygon.

この場合、圧電基板の加工が容易である。 In this case, the piezoelectric substrate can be easily processed.

好ましい一態様において、前記駆動用電極又は前記検出用電極は、2つの前記駆動軸及び2つの前記検出軸それぞれを含み前記圧電基板の前記主面に垂直である4つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の8つの領域のうち、前記X''軸及び前記Y''軸の間を等分する前記直線に平行である前記仮想面を挟んで互いに隣り合う2つの前記領域に、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極を含む。対になるように配置された前記45°モード用電極は、互いに逆位相の電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該45°モード用電極に対向する対向領域において45°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記対向領域に45°モードで振動しているときに前記主面と平行方向に生じたひずみによって互いに逆位相の電荷が検出されるように構成されている。 In a preferred embodiment, the drive electrode or detection electrode is divided by four virtual planes that include two drive shafts and each of the two detection shafts and are perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate. Of the eight regions of at least one of the main surfaces of the piezoelectric substrate, two adjacent to each other with the virtual surface parallel to the straight line equally dividing between the X ″ axis and the Y ″ axis. The region comprises at least a pair of 45 ° mode electrodes arranged in pairs. When voltages of opposite phases are applied to the 45 ° mode electrodes arranged in pairs, the 45 ° mode vibrations occur in the facing region of the piezoelectric substrate facing the 45 ° mode electrodes. Due to the strain generated in the direction parallel to the main surface for excitation, or to generate the strain in the direction parallel to the main surface when vibrating in the facing region in the piezoelectric substrate in 45 ° mode. It is configured so that charges of opposite phases are detected.

好ましい他の態様において、前記駆動用電極又は前記検出用電極は、前記駆動軸又は前記検出軸を含み前記X''軸及び前記Y''軸それぞれに平行かつ前記圧電基板の前記主面に垂直である2つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の4つの領域のうち少なくとも1つに、当該領域の隣接する前記領域との2つの境界線の間を等分する方向に間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極を含む。対になるように配置された前記45°モード用電極は、電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該45°モード用電極に対向する対向領域の間の中間領域において45°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記中間領域に45°モードの振動によって前記主面と平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように構成されている。 In another preferred embodiment, the drive electrode or the detection electrode includes the drive shaft or the detection shaft and is parallel to the X ″ axis and the Y ″ axis, respectively, and perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate. At least one of the four regions of the main surface of at least one of the piezoelectric substrates divided by the two virtual planes is equally divided between the two boundaries with the adjacent region of the region. Includes at least one set of 45 ° mode electrodes arranged in pairs facing each other at intervals in the direction. When a voltage is applied, the 45 ° mode electrodes arranged in pairs vibrate in the 45 ° mode in an intermediate region between the facing regions facing the 45 ° mode electrodes in the piezoelectric substrate. Charges are detected by the strain generated in the direction parallel to the main surface so as to generate a strain in the direction parallel to the main surface for exciting, or by the vibration in the 45 ° mode in the intermediate region in the piezoelectric substrate. It is configured to be.

好ましいさらに別の態様において、前記駆動用電極又は前記検出用電極は、2つの前記駆動軸及び2つの前記検出軸それぞれを含み前記圧電基板の前記主面に垂直である4つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の8つの領域のうち、前記X''軸及び前記Y''軸の間を等分する前記直線に平行である前記仮想面を挟んで互いに隣り合う2つの前記領域に、間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極を含む。対になるように配置された前記45°モード用電極は、電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該45°モード用電極に対向する対向領域の間の中間領域において45°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記中間領域に45°モードの振動によって前記主面と平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように構成されている。 In yet another preferred embodiment, the drive electrode or detection electrode is divided by four virtual planes that include each of the two drive shafts and the two detection shafts and are perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate. Of the eight regions of the main surface of at least one of the piezoelectric substrates, the virtual surfaces parallel to the straight line equally dividing the X ″ axis and the Y ″ axis are adjacent to each other. The two said regions include at least one set of 45 ° mode electrodes arranged so as to face each other at a distance. When a voltage is applied, the 45 ° mode electrodes arranged in pairs vibrate in the 45 ° mode in an intermediate region between the facing regions facing the 45 ° mode electrodes in the piezoelectric substrate. Charges are detected by the strain generated in the direction parallel to the main surface so as to generate a strain in the direction parallel to the main surface for exciting, or by the vibration in the 45 ° mode in the intermediate region in the piezoelectric substrate. It is configured to be.

本発明によれば、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a vibrating gyro using a single crystal piezoelectric material.

図1はワイングラス振動の説明図である。(実施例1)FIG. 1 is an explanatory diagram of wine glass vibration. (Example 1) 図2はウエハの説明図である。(実施例1)FIG. 2 is an explanatory diagram of the wafer. (Example 1) 図3は圧電基板の0°モードの振動の説明図である。(実施例1)FIG. 3 is an explanatory diagram of vibration of the piezoelectric substrate in the 0 ° mode. (Example 1) 図4は圧電基板の45°モードの振動の説明図である。(実施例1)FIG. 4 is an explanatory diagram of vibration of the piezoelectric substrate in the 45 ° mode. (Example 1) 図5は振動体の説明図である。(実施例1)FIG. 5 is an explanatory diagram of the vibrating body. (Example 1) 図6は振動体の要部拡大平面図である。(実施例1)FIG. 6 is an enlarged plan view of a main part of the vibrating body. (Example 1) 図7はオイラー角の説明図である。(実施例1の解析例)FIG. 7 is an explanatory view of Euler angles. (Analysis Example of Example 1) 図8は変動係数の分布図である。(実施例1の解析例)FIG. 8 is a distribution diagram of the coefficient of variation. (Analysis Example of Example 1) 図9は図8の拡大図である。(実施例1の解析例)FIG. 9 is an enlarged view of FIG. (Analysis Example of Example 1) 図10は電気機械結合係数の分布図である。(実施例1の解析例)FIG. 10 is a distribution diagram of the electromechanical coupling coefficient. (Analysis Example of Example 1) 図11は振動のシミュレーション結果を示す図である。(実施例1の解析例)FIG. 11 is a diagram showing a vibration simulation result. (Analysis Example of Example 1) 図12は振動体の製造工程の説明図である。(実施例1の試作例)FIG. 12 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the vibrating body. (Prototype example of Example 1) 図13は振動体の写真である。(実施例1の試作例)FIG. 13 is a photograph of the vibrating body. (Prototype example of Example 1) 図14は振動ジャイロの断面図である。(実施例1の試作例)FIG. 14 is a cross-sectional view of the vibrating gyro. (Prototype example of Example 1) 図15は振動ジャイロの写真である。(実施例1の試作例)FIG. 15 is a photograph of a vibrating gyro. (Prototype example of Example 1) 図16はインピーダンス特性のグラフである。(実施例1の試作例)FIG. 16 is a graph of impedance characteristics. (Prototype example of Example 1) 図17は共振端の速度のグラフである。(実施例1の試作例)FIG. 17 is a graph of the velocity at the resonance end. (Prototype example of Example 1) 図18は圧電基板の平面図である。(変形例1)FIG. 18 is a plan view of the piezoelectric substrate. (Modification example 1) 図19は振動体の平面図である。(変形例2)FIG. 19 is a plan view of the vibrating body. (Modification 2) 図20は振動体の平面図である。(変形例3)FIG. 20 is a plan view of the vibrating body. (Modification 3) 図21は振動体の断面図である。(変形例3)FIG. 21 is a cross-sectional view of the vibrating body. (Modification 3) 図22は振動体の平面図である。(変形例4)FIG. 22 is a plan view of the vibrating body. (Modification example 4) 図23は振動体の断面図である。(変形例4)FIG. 23 is a cross-sectional view of the vibrating body. (Modification example 4) 図24はディスク型振動ジャイロの説明図である。(従来例1)FIG. 24 is an explanatory diagram of a disc type vibrating gyro. (Conventional example 1) 図25は音叉型振動ジャイロの説明図である。(従来例2)FIG. 25 is an explanatory diagram of a tuning fork type vibrating gyro. (Conventional example 2)

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<実施例1> 縮退モードのワイングラス振動あるいは円環広がり振動で駆動、検出する実施例1の振動ジャイロについて、図1〜図17を参照しながら説明する。 <Example 1> The vibration gyro of Example 1 driven and detected by the wine glass vibration or the ring spreading vibration in the degenerate mode will be described with reference to FIGS. 1 to 17.

まず、振動ジャイロの駆動原理について説明する。図1は、ワイングラス振動の説明図である。図1に示すように、振動体90の円形の輪郭90aを含む面と平行、かつ、互いに直交する2つの軸を第1軸及び第2軸とし、振動体90の輪郭90aを含む面に垂直な軸を第3軸とする。第1軸、第2軸、及び第3軸は、振動体90の中心を通る。 First, the driving principle of the vibration gyro will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram of wine glass vibration. As shown in FIG. 1, two axes parallel to the surface including the circular contour 90a of the vibrating body 90 and orthogonal to each other are defined as the first axis and the second axis, and are perpendicular to the surface including the contour 90a of the vibrating body 90. Axis is the third axis. The first axis, the second axis, and the third axis pass through the center of the vibrating body 90.

図1(a)は、0°−90°モード(以下、「0°モード」という。)の説明図である。図1(a)に示すように、0°モードの振動では、振動体90の輪郭90aは、鎖線で示すように第1軸方向(第1軸に対して0°の方向)に広がり第2軸方向(第1軸に対して90°の方向)に縮む変形と、破線で示すように第1軸方向に縮み第2軸方向に広がる変形とを繰り返す。 FIG. 1A is an explanatory diagram of a 0 ° −90 ° mode (hereinafter referred to as “0 ° mode”). As shown in FIG. 1A, in the vibration in the 0 ° mode, the contour 90a of the vibrating body 90 spreads in the first axial direction (the direction of 0 ° with respect to the first axis) as shown by the chain line, and the second The deformation that contracts in the axial direction (90 ° with respect to the first axis) and the deformation that contracts in the first axial direction and spreads in the second axial direction as shown by the broken line are repeated.

図1(b)は、45°−135°モード(以下、「45°モード」という。)の説明図である。図1(b)に示すように、45°モードの振動では、振動体90の輪郭90aは、鎖線で示すように第1軸に対して反時計まわりに45°の方向に広がり第2軸に対して反時計まわりに135°の方向に縮む変形と、破線で示すように第1軸に対して反時計まわりに45°の方向に縮み第2軸に対して反時計まわりに135°の方向に広がる変形とを繰り返す。 FIG. 1B is an explanatory diagram of a 45 ° −135 ° mode (hereinafter referred to as “45 ° mode”). As shown in FIG. 1 (b), in the vibration in the 45 ° mode, the contour 90a of the vibrating body 90 spreads in the direction of 45 ° counterclockwise with respect to the first axis as shown by the chain line, and becomes the second axis. On the other hand, the deformation that contracts counterclockwise in the direction of 135 ° and the direction that contracts in the direction of 45 ° counterclockwise with respect to the first axis and the direction of 135 ° counterclockwise with respect to the second axis as shown by the broken line. Repeat the transformation that spreads to.

振動体90が等方であれば、振動体90は、0°モードで第1軸及び第2に関して対称に変形し、45°及び135°方向は振動の節になるので、45°モードの振動は発生しない。0°モードで振動しているとき、第3軸まわりに角速度Ωが作用すると、コリオリ力によって振動体90の対称な振動が歪み、45°モードの振動が励振される。この励振された45°モードの振動を検出することによって、第3軸まわりの角速度Ωを計測することができる。 If the vibrating body 90 is isotropic, the vibrating body 90 deforms symmetrically with respect to the first axis and the second in the 0 ° mode, and becomes a vibration node in the 45 ° and 135 ° directions, so that the vibration in the 45 ° mode Does not occur. When the angular velocity Ω acts around the third axis when vibrating in the 0 ° mode, the symmetric vibration of the vibrating body 90 is distorted by the Coriolis force, and the vibration in the 45 ° mode is excited. By detecting the excited vibration in the 45 ° mode, the angular velocity Ω around the third axis can be measured.

このように、0°モードで駆動し、45°モードで検出するとき、第1軸及び第2軸は駆動軸であり、第1軸及び第2軸の間を等分する軸が検出軸である。45°モードで駆動し、0°モードで検出することも可能である。この場合、第1軸及び第2軸は検出軸であり、第1軸及び第2軸の間を等分する軸が駆動軸である。 In this way, when driving in 0 ° mode and detecting in 45 ° mode, the first axis and the second axis are the drive axes, and the axis that equally divides between the first axis and the second axis is the detection axis. is there. It is also possible to drive in 45 ° mode and detect in 0 ° mode. In this case, the first axis and the second axis are the detection axes, and the axis that equally divides the first axis and the second axis is the drive axis.

0°モードと45°モードで振動する圧電基板は、2つの駆動軸と2つの検出軸とのそれぞれを中心として線対称な形状である。 The piezoelectric substrate that vibrates in the 0 ° mode and the 45 ° mode has a line-symmetrical shape centered on each of the two drive shafts and the two detection shafts.

図3及び図4は、圧電基板92,94が振動する場合の説明図である。図3及び図4において、第1軸及び第2軸は、圧電基板92,94の主面92s,92t;94s,94tに平行、かつ、互いに直交する。第3軸は、圧電基板92,94の主面92s,92t;94s,94tに垂直である。 3 and 4 are explanatory views when the piezoelectric substrates 92 and 94 vibrate. In FIGS. 3 and 4, the first axis and the second axis are parallel to the main surfaces 92s, 92t; 94s, 94t of the piezoelectric substrates 92, 94, and are orthogonal to each other. The third axis is perpendicular to the main surfaces 92s, 92t; 94s, 94t of the piezoelectric substrates 92,94.

図3は、0°モードの説明図である。図3(a)に示すように、圧電基板92の主面92s,92tに形成された電極96間に電圧を印加すると、矢印81a,81bで示すように第1軸方向に伸び、矢印82a,82bで示すように第2軸方向に縮む。図3(b)に示すように、円板状の圧電基板94に同様に電圧を印加すると、圧電基板94の8分割された領域は、矢印で示すように、いずれも同じ方向に伸縮し、圧電基板94の輪郭94aは、鎖線94pで示すように変形する。周期的に変動する電界を主面92s,92t;94s,94t間に印加すると、圧電基板92,94を0°モードで振動させることができる。逆に、圧電基板92,94が0°モードで振動すると、圧電基板92,94の主面92s,92t;94s,94t間に、周期的に変動する電荷が生じる。 FIG. 3 is an explanatory diagram of the 0 ° mode. As shown in FIG. 3A, when a voltage is applied between the electrodes 96 formed on the main surfaces 92s and 92t of the piezoelectric substrate 92, the voltage extends in the first axial direction as shown by arrows 81a and 81b, and arrows 82a, As shown by 82b, it contracts in the second axial direction. As shown in FIG. 3B, when a voltage is similarly applied to the disc-shaped piezoelectric substrate 94, the eight-divided regions of the piezoelectric substrate 94 expand and contract in the same direction as indicated by the arrows. The contour 94a of the piezoelectric substrate 94 is deformed as shown by the chain wire 94p. When a periodically fluctuating electric field is applied between the main surfaces 92s, 92t; 94s, 94t, the piezoelectric substrates 92, 94 can be vibrated in 0 ° mode. On the contrary, when the piezoelectric substrates 92 and 94 vibrate in the 0 ° mode, a charge that fluctuates periodically is generated between the main surfaces 92s and 92t; 94s and 94t of the piezoelectric substrates 92 and 94.

図4は、45°モードの説明図である。図4(a)に示すように、圧電基板92の主面92s,92tに8つに分けて形成された電極98間に交互に逆位相の電圧を印加すると、矢印83a,83bで示すように第1軸に対して45°の方向には伸び、矢印84a,84bで示すように第1軸に対して135°の方向には縮む。図4(b)に示すように、円板状の圧電基板94に同様に電圧を印加すると、圧電基板94は、電極に対応する各領域において矢印で示す方向に伸縮し、伸縮する方向が交互に逆になるため、圧電基板94の輪郭94aは、鎖線94qで示すように変形する。周期的に変動する電圧を圧電基板92,94に印加すると、圧電基板92,94を45°モードで振動させることができる。逆に、圧電基板92,94が45°モードで振動すると、圧電基板92,94に電荷の変動が生じる。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the 45 ° mode. As shown in FIG. 4A, when voltages of opposite phases are alternately applied between the electrodes 98 formed in eight on the main surfaces 92s and 92t of the piezoelectric substrate 92, as shown by arrows 83a and 83b. It extends in the direction of 45 ° with respect to the first axis and contracts in the direction of 135 ° with respect to the first axis as shown by arrows 84a and 84b. As shown in FIG. 4B, when a voltage is similarly applied to the disc-shaped piezoelectric substrate 94, the piezoelectric substrate 94 expands and contracts in the direction indicated by the arrow in each region corresponding to the electrode, and the expansion and contraction directions alternate. The contour 94a of the piezoelectric substrate 94 is deformed as shown by the chain line 94q. When a voltage that fluctuates periodically is applied to the piezoelectric substrates 92 and 94, the piezoelectric substrates 92 and 94 can be vibrated in the 45 ° mode. On the contrary, when the piezoelectric substrates 92 and 94 vibrate in the 45 ° mode, the charge of the piezoelectric substrates 92 and 94 fluctuates.

0°モードの振動と45°モードの振動とを利用して角速度を計測する場合、圧電基板92,94が等方であり、圧電基板92,94の弾性コンプライアンスが主面92s,92t;94s,94t内のどの方向でも同じであることが理想である。 When measuring the angular velocity using vibration in 0 ° mode and vibration in 45 ° mode, the piezoelectric substrates 92 and 94 are isotropic, and the elastic compliance of the piezoelectric substrates 92 and 94 is the main surface 92s, 92t; 94s, Ideally, it should be the same in all directions within 94t.

前述したように単結晶圧電材料は結晶異方性を有するが、本願発明者は、切り出す方位によっては主面方向で等方になる可能性があると考え、主面方向で等方になる結晶方位を探索した。詳しくは後述するが、例えば、155°YカットLN板は、弾性コンプライアンスの第1軸成分及び第2軸成分が、主面内のどの方位でも略一定である。 As described above, the single crystal piezoelectric material has crystal anisotropy, but the inventor of the present application considers that it may be isotropic in the main plane direction depending on the cutting direction, and the crystal becomes isotropic in the main plane direction. I searched for the direction. As will be described in detail later, for example, in the 155 ° Y-cut LN plate, the first axis component and the second axis component of elastic compliance are substantially constant in any direction in the main surface.

図2は、ウエハの説明図である。図2(a)は、Zカットのウエハ2aを示す。図7(b)は、155°Yカットのウエハ2bを示す。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the wafer. FIG. 2A shows a Z-cut wafer 2a. FIG. 7B shows a wafer 2b with a 155 ° Y cut.

図3(a)及び図4(a)には、圧電基板92が155°YカットLN板である場合の結晶軸X,Y,Zを図示している。図3(a)及び図4(a)に示すように、第1軸はY軸と一致している。分極方向はZ軸である。 3 (a) and 4 (a) show the crystal axes X, Y, and Z when the piezoelectric substrate 92 is a 155 ° Y-cut LN plate. As shown in FIGS. 3 (a) and 4 (a), the first axis coincides with the Y axis. The polarization direction is the Z axis.

次に、振動ジャイロに用いる振動体11の構成について説明する。 Next, the configuration of the vibrating body 11 used for the vibrating gyro will be described.

図5(a)は、振動体11の平面図、図5(b)は振動体11の断面図である。図5に示すように、振動体11は、円形板状の圧電基板12の一方の主面12sに内側電極21〜28及び外側電極41〜48が形成され、圧電基板12の他方の主面12tに内側電極31〜38及び外側電極51〜58が形成されている。一方の内側電極21〜28と、他方の内側電極31〜38とは、それぞれ、圧電基板12を挟んで互いに対向する。同様に、一方の外側電極41〜48と、他方の外側電極51〜58とは、それぞれ、圧電基板12を挟んで互いに対向する。 5 (a) is a plan view of the vibrating body 11, and FIG. 5 (b) is a cross-sectional view of the vibrating body 11. As shown in FIG. 5, in the vibrating body 11, inner electrodes 21 to 28 and outer electrodes 41 to 48 are formed on one main surface 12s of the circular plate-shaped piezoelectric substrate 12, and the other main surface 12t of the piezoelectric substrate 12 is formed. The inner electrodes 31 to 38 and the outer electrodes 51 to 58 are formed therein. One inner electrode 21 to 28 and the other inner electrode 31 to 38 face each other with the piezoelectric substrate 12 interposed therebetween. Similarly, one outer electrode 41 to 48 and the other outer electrode 51 to 58 face each other with the piezoelectric substrate 12 interposed therebetween.

圧電基板12の中心に、圧電基板12の主面12s,12t間を貫通する中心穴12bが形成されている。内側電極21〜28,31〜38は、中心穴12bに沿って45°ピッチで、互いに間隔を設けて配置されている。外側電極41〜48,51〜58は、内側電極21〜28,31〜38の径方向外側(中心穴12bとは反対側)に、圧電基板12の外周面12aに沿って45°ピッチで、互いに間隔を設けて配置されている。 A center hole 12b is formed in the center of the piezoelectric substrate 12 so as to penetrate between the main surfaces 12s and 12t of the piezoelectric substrate 12. The inner electrodes 21 to 28 and 31 to 38 are arranged at a pitch of 45 ° along the center hole 12b at a distance from each other. The outer electrodes 41 to 48, 51 to 58 are arranged on the radial outer side (opposite to the center hole 12b) of the inner electrodes 21 to 28, 31 to 38 at a pitch of 45 ° along the outer peripheral surface 12a of the piezoelectric substrate 12. They are arranged at intervals from each other.

すなわち、圧電基板12の第1軸及び第2軸と、圧電基板12の第1軸と第2軸との間を等分する2つの軸とにそれぞれ平行、かつ、圧電基板12の主面12s,12tの中心を通る4つの仮想線によって分割される8つの領域において、主面12s,12tの中心側(中心穴12b側)に内側電極21〜28,31〜38がそれぞれ形成され、主面12s,12tの中心とは反対側(外周面12a側)に外側電極41〜48,51〜58がそれぞれ形成されている。 That is, the first and second axes of the piezoelectric substrate 12 are parallel to the two axes that equally divide the first and second axes of the piezoelectric substrate 12, and the main surface 12s of the piezoelectric substrate 12 is parallel to each other. , Inner electrodes 21 to 28, 31 to 38 are formed on the center side (center hole 12b side) of the main surfaces 12s and 12t, respectively, in eight regions divided by four virtual lines passing through the center of 12t, respectively. The outer electrodes 41 to 48 and 51 to 58 are formed on the side opposite to the center of 12s and 12t (the outer peripheral surface 12a side), respectively.

図6は振動体11の要部拡大図である。図6に示すように、圧電基板12の一方の主面12sには、中心穴12bに沿って、8つの内側電極用端子部21x〜28xと8つ外側電極用端子部41x〜48xとが形成されている。内側電極用端子部21x〜28xは、内側電極21〜28と一体に形成されている。外側電極用端子部41x〜48xは、内側電極21〜28及び内側電極用端子部21x〜28xとの間に間隔を設けて形成されている。図5及び図6に示すように、互いに隣り合う内側電極21〜28の間に、外側電極41〜48と外側電極用端子部41x〜48xとを電気的に接続する配線41a〜48aが形成されている。内側電極用端子部21x〜28x及び外側電極用端子部41x〜48xは、後述するロッド端子64(図14参照)に電気的に接続される。 FIG. 6 is an enlarged view of a main part of the vibrating body 11. As shown in FIG. 6, eight inner electrode terminal portions 21x to 28x and eight outer electrode terminal portions 41x to 48x are formed on one main surface 12s of the piezoelectric substrate 12 along the center hole 12b. Has been done. The terminal portions 21x to 28x for the inner electrodes are formed integrally with the inner electrodes 21 to 28. The outer electrode terminal portions 41x to 48x are formed with a gap between the inner electrodes 21 to 28 and the inner electrode terminal portions 21x to 28x. As shown in FIGS. 5 and 6, wirings 41a to 48a for electrically connecting the outer electrodes 41 to 48 and the outer electrode terminal portions 41x to 48x are formed between the inner electrodes 21 to 28 adjacent to each other. ing. The inner electrode terminal portions 21x to 28x and the outer electrode terminal portions 41x to 48x are electrically connected to a rod terminal 64 (see FIG. 14) described later.

図示していないが、圧電基板12の他方の主面12tには、圧電基板12の一方の主面12tの内側電極用端子部21x〜28x、外側電極用端子部41x〜48x及び配線41a〜48aと同様に、内側電極用端子部、外側電極用端子部及び配線が形成されている。圧電基板12の他方の主面12tに形成される内側電極用端子部及び外側電極用端子部は、後述するロッド端子66(図14参照)に電気的に接続される。 Although not shown, on the other main surface 12t of the piezoelectric substrate 12, the inner electrode terminal portions 21x to 28x, the outer electrode terminal portions 41x to 48x, and the wiring 41a to 48a of one main surface 12t of the piezoelectric substrate 12 Similarly, the terminal portion for the inner electrode, the terminal portion for the outer electrode, and the wiring are formed. The inner electrode terminal portion and the outer electrode terminal portion formed on the other main surface 12t of the piezoelectric substrate 12 are electrically connected to a rod terminal 66 (see FIG. 14) described later.

振動体11を0°モードで振動させ、45°モードの振動によって発生する電荷を検出してもよいし、振動体11を45°モードで振動させ、0°モードの振動によって発生する電荷を検出してもよい。 The vibrating body 11 may be vibrated in 0 ° mode to detect the electric charge generated by the vibration in 45 ° mode, or the vibrating body 11 may be vibrated in 45 ° mode to detect the electric charge generated by the vibration in 0 ° mode. You may.

0°モードで駆動し、45°モードで検出する場合、例えば、内側電極21〜28,31〜38を、第1軸又は第2軸と平行な2つの駆動軸の方向に圧電基板12を振動させる電界を圧電基板12に印加するための駆動用電極として用い、外側電極41〜48,51〜58を、駆動軸の間を等分する2つの検出軸の方向の振動によって圧電基板12に励起される電荷を検出するための検出用電極として用いる。内側電極21〜28,31〜38を検出用電極として用い、外側電極41〜48,51〜58を駆動用電極として用いることも可能である。 When driving in 0 ° mode and detecting in 45 ° mode, for example, the inner electrodes 21 to 28, 31 to 38 vibrate the piezoelectric substrate 12 in the direction of the first axis or two drive axes parallel to the second axis. The electric field to be generated is used as a drive electrode for applying the electric field to the piezoelectric substrate 12, and the outer electrodes 41 to 48, 51 to 58 are excited to the piezoelectric substrate 12 by vibration in the directions of the two detection axes that equally divide the drive shafts. It is used as a detection electrode for detecting the electric charge to be generated. It is also possible to use the inner electrodes 21 to 28 and 31 to 38 as detection electrodes and the outer electrodes 41 to 48 and 51 to 58 as drive electrodes.

45°モードで駆動し、0°モードで検出する場合、例えば、内側電極21〜28,31〜38を駆動用電極として用い、外側電極41〜48,51〜58を検出用電極として用いる。内側電極21〜28,31〜38を検出用電極として用い、外側電極41〜48,51〜58を駆動用電極として用いることも可能である。 When driving in the 45 ° mode and detecting in the 0 ° mode, for example, the inner electrodes 21 to 28, 31 to 38 are used as driving electrodes, and the outer electrodes 41 to 48, 51 to 58 are used as detection electrodes. It is also possible to use the inner electrodes 21 to 28 and 31 to 38 as detection electrodes and the outer electrodes 41 to 48 and 51 to 58 as drive electrodes.

次に、実施例1の解析例について、図7〜図11を参照しながら説明する。 Next, an analysis example of Example 1 will be described with reference to FIGS. 7 to 11.

まず、主面方向で等方、すなわち面内等方になる圧電基板12の結晶方位の解析について説明する。圧電材料の諸材料定数は、分極方向をZ軸としたXYZ座標系(以下、結晶XYZ座標系)で定められる。ウエハの結晶方位がこの分極方向を基準とした方位と異なる場合、ウエハを基準にした座標系(以下、ウエハ座標系)で表現し直した諸材料定数を考える必要がある。 First, the analysis of the crystal orientation of the piezoelectric substrate 12 which is isotropic in the main plane direction, that is, isotropic in the plane will be described. The constants of various materials of the piezoelectric material are determined by the XYZ coordinate system (hereinafter referred to as the crystal XYZ coordinate system) with the polarization direction as the Z axis. When the crystal orientation of the wafer is different from the orientation based on this polarization direction, it is necessary to consider various material constants re-expressed in the coordinate system based on the wafer (hereinafter referred to as the wafer coordinate system).

ここでは、結晶XYZ座標系を、図7に示すオイラー角の定義に従って、Z軸周りに角度ψ回転したX'Y'Z'座標系を、さらにX'軸周りに角度θ回転したX''Y''Z''座標系をウエハ座標系とする。 Here, the crystal XYZ coordinate system is rotated by an angle of ψ around the Z axis according to the definition of Euler angles shown in FIG. 7, and the X'Y'Z' coordinate system is further rotated by an angle of θ around the X'axis. Let the Y''Z'' coordinate system be the wafer coordinate system.

結晶XYZ座標系における結晶点群3mに属する応力TーひずみS関係式は、次の式(1)で表せる。
ここで、S:ひずみ、T:応力、Sij:弾性コンプライアンスである。
The stress T-strain S relational expression belonging to the crystallographic point group 3m in the crystal XYZ coordinate system can be expressed by the following equation (1).
Here, S i : strain, T i : stress, and S ij : elastic compliance.

式(1)をウエハX''Y''Z''座標系で表現し直すと、次の式(2)となる。
ただし、圧電基板12は十分薄いと仮定し、平面応力状態(T''=0,T''=0,T''=0)としており、平面方向のひずみに関係のない成分は省略している。
When the equation (1) is re-expressed in the wafer X''Y''Z'' coordinate system, the following equation (2) is obtained.
However, assuming that the piezoelectric substrate 12 is sufficiently thin, it is in a plane stress state (T 3 '' = 0, T 4 '' = 0, T 5 '' = 0), and components that are not related to strain in the plane direction are It is omitted.

面内方位による弾性特性を調べるためウエハX''Y''Z''座標系をさらにZ''軸周りに角度
回転したX'''Y'''Z'''座標系での弾性コンプライアンスs11''',s12''',s16''',s66'''を考えると、次の式(3)で表せる。
Wafer X''Y''Z''coordinate system further angled around Z''axis to investigate elastic properties due to in-plane orientation
Considering the elastic compliance in the rotated X'''Y'''Z'''coordinate system s 11 ''', s 12 ''', s 16 ''', s 66 ''', the following equation It can be represented by (3).

これらの式(3)は、
の関数であり、これらの式(3)が
に依存せず一定であれば、弾性コンプライアンスs11''',s12''',s16''',s66'''が面内等方といえる。なお、s22''',s26'''は、それぞれs11''',s16'''と等価であるので考えなくてよい。このためには、式(3)でのcosの項とsinの項のすべての係数が0に近い値をとればよい。式(3)より、係数は次の4つである。
These equations (3) are
These equations (3) are functions of
If it is constant regardless of, elastic compliance s 11 ″, s 12 ″, s 16 ″, s 66 ″ can be said to be in-plane isotropic. Note that s 22 '' and s 26 '''' are equivalent to s 11 '' and s 16 '', respectively, and therefore need not be considered. For this purpose, all the coefficients of the cos term and the sin term in the equation (3) should be close to 0. From equation (3), there are the following four coefficients.

11'''はこれらすべてを含むので、s11'''一定が十分条件である。そこで、s11'''の
に対する変動係数C.V.(ψ,θ)を、次の式(5)で定義し、変動係数C.V.(ψ,θ)の値が0に近くなるウエハ方位を探索した。
Since s 11 ″ includes all of these, constant s 11 ″ ″ is a sufficient condition. So, of s 11 ''''
The coefficient of variation CV (ψ, θ) with respect to the above was defined by the following equation (5), and the wafer orientation in which the value of the coefficient of variation CV (ψ, θ) was close to 0 was searched.

図8は、変動係数C.V.(ψ,θ)の分布図である。図8に示すように、(ψ,θ)=(0°,0°),(0°,65°)、つまり、Zカット、又は155°Yカットが、面内等方である。LNは、三方晶系の点群3mに属するので、結晶構造的に等価な点が(0°,0°)に関して2か所、(0°,65°)に関して6か所ある。 FIG. 8 is a distribution diagram of the coefficient of variation C.V. (ψ, θ). As shown in FIG. 8, (ψ, θ) = (0 °, 0 °), (0 °, 65 °), that is, the Z cut or the 155 ° Y cut is in-plane isotropic. Since LN belongs to the point cloud 3m of the trigonal system, there are two crystal structure equivalent points for (0 °, 0 °) and six points for (0 °, 65 °).

図9は、(0°,65°)近傍での計算結果を示す分布図である。図9から分かるように、変動係数C.V.(ψ,θ)が1%未満となるのは、おおよそ、−4°<ψ<4°,かつ、63°<θ<67°である。 FIG. 9 is a distribution map showing the calculation results in the vicinity of (0 °, 65 °). As can be seen from FIG. 9, the coefficient of variation C.V. (ψ, θ) is less than 1% in approximately -4 ° <ψ <4 ° and 63 ° <θ <67 °.

図10は、(0°,65°)近傍での電気機械結合係数k31,k32の分布図である。図10から、電気機械結合係数は0.3程度である。 FIG. 10 is a distribution diagram of electromechanical coupling coefficients k 31 and k 32 in the vicinity of (0 °, 65 °). From FIG. 10, the electromechanical coupling coefficient is about 0.3.

(0°,0°)近傍では、電気機械結合係数k31がどの面内方位においても0に近いため、(0°,65°)を採用する。 In the vicinity of (0 °, 0 °), the electromechanical coupling coefficient k 31 is close to 0 in any in-plane direction, so (0 °, 65 °) is adopted.

図11は、155°YカットLN板のワイングラス振動を、有限要素法でシミュレーションした結果である。図11(a)は0°モードの振動、図11(b)は45°モードの振動である。0°モードの共振周波数は96.8kHz、45°モードの共振周波数は95.0kHzであった。 FIG. 11 shows the result of simulating the vibration of the wine glass of the 155 ° Y-cut LN plate by the finite element method. FIG. 11A shows vibration in 0 ° mode, and FIG. 11B shows vibration in 45 ° mode. The resonance frequency in the 0 ° mode was 96.8 kHz, and the resonance frequency in the 45 ° mode was 95.0 kHz.

圧電基板が三方晶系の点群3mに分類される単結晶からなる場合、LN以外の圧電基板、例えば、タンタル酸リチウム(LT)やランガサイト等の圧電基板を用いてもよい。 When the piezoelectric substrate is composed of a single crystal classified into a trigonal point cloud group of 3 m, a piezoelectric substrate other than LN, for example, a piezoelectric substrate such as lithium tantalate (LT) or langasite may be used.

次に、実施例1の試作例について、図12〜図17を参照しながら説明する。 Next, a prototype example of Example 1 will be described with reference to FIGS. 12 to 17.

図12は、振動体11の製造工程を示す略図である。図12(a)に示すように、4インチ155°YカットLNウェハ12wを準備し、図12(b)に示すように、ウェハ12wの両面12p,12qに、電子ビーム蒸着によって、クロムの下地層70,71を形成し、その上に金の電極層72,73を形成する。次いで、図12(c)に示すように、両面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりマスクパターン74,75を形成した後、図12(d)に示すように、ウェットエッチングを行い、電極パターンを形成する。最後に、コアドリルを用いてディスク片とその中心穴を切り出して、圧電基板12の外周面12a及び中心穴12bを加工した後、洗浄して、図12(e)に示すようにマスクパターン74,75を除去すると、振動体11が完成する。 FIG. 12 is a schematic view showing a manufacturing process of the vibrating body 11. As shown in FIG. 12 (a), a 4-inch 155 ° Y-cut LN wafer 12w was prepared, and as shown in FIG. 12 (b), on both sides 12p and 12q of the wafer 12w by electron beam deposition under chromium. The strata 70 and 71 are formed, and the gold electrode layers 72 and 73 are formed on the strata 70 and 71. Next, as shown in FIG. 12 (c), photoresist is applied to both surfaces, mask patterns 74 and 75 are formed by photolithography, and then wet etching is performed as shown in FIG. 12 (d) to perform an electrode pattern. To form. Finally, the disc piece and its center hole are cut out using a core drill, the outer peripheral surface 12a and the center hole 12b of the piezoelectric substrate 12 are processed, washed, and the mask pattern 74, as shown in FIG. 12 (e). When 75 is removed, the vibrating body 11 is completed.

図13は、試作した振動体11の写真である。試作した振動体11は、厚みが330μm、直径が25.8mm、中心穴12bの直径が4mmである。クロムの下地層70,71のそれぞれの厚さは50nm、金の電極層72,73のそれぞれの厚さは200nmである。 FIG. 13 is a photograph of the prototype vibrating body 11. The prototype vibrating body 11 has a thickness of 330 μm, a diameter of 25.8 mm, and a center hole 12b having a diameter of 4 mm. The thickness of each of the chrome base layers 70 and 71 is 50 nm, and the thickness of each of the gold electrode layers 72 and 73 is 200 nm.

図14は、振動体11がソケットに収納された振動ジャイロ10の断面図である。図14に示すように、振動体11は、一対のソケット板60,62の間に配置される。振動体11は、圧電基板12の中心穴12bに一方のソケット板60の突起部63が挿入され、中心穴12bの内周面がソケット板60の突起部63の外周面に接した状態で支持される。ソケット板60,62には、ロッド端子64,66が取り付けられ、ロッド端子64,66の先端が、圧電基板12の中心穴12bの近傍に形成された内側電極用端子部及び外側電極用端子部に接している。 FIG. 14 is a cross-sectional view of the vibrating gyro 10 in which the vibrating body 11 is housed in the socket. As shown in FIG. 14, the vibrating body 11 is arranged between the pair of socket plates 60 and 62. The vibrating body 11 is supported in a state where the protrusion 63 of one of the socket plates 60 is inserted into the center hole 12b of the piezoelectric substrate 12 and the inner peripheral surface of the center hole 12b is in contact with the outer peripheral surface of the protrusion 63 of the socket plate 60. Will be done. Rod terminals 64 and 66 are attached to the socket plates 60 and 62, and the tips of the rod terminals 64 and 66 are formed in the vicinity of the center hole 12b of the piezoelectric substrate 12 for the inner electrode terminal portion and the outer electrode terminal portion. Is in contact with.

図15は、試作した振動ジャイロ10の写真であり、振動体11をソケットに収納した状態を示している。 FIG. 15 is a photograph of the prototype vibrating gyro 10, showing a state in which the vibrating body 11 is housed in a socket.

試作した振動ジャイロ10の振動特性を評価するために、インピーダンスアナライザー(4294A、キーサイト・テクノロジーズ・インク社製)をロッド端子64,66に接続して、インピーダンス特性を測定した。 In order to evaluate the vibration characteristics of the prototype vibration gyro 10, an impedance analyzer (4294A, manufactured by KeySight Technologies, Inc.) was connected to the rod terminals 64 and 66, and the impedance characteristics were measured.

0°モードの場合、インピーダンスアナライザーの正極端子を、圧電基板12の一方の主面12sの内側電極21〜28に電気的に接続し、負極端子を、圧電基板12の他方主面12tの内側電極31〜38に電気的に接続する。45°モードの場合、外側電極41〜48,51〜58を、交互に正極端子と負極端子とに電気的に接続する。例えば、正極端子を外側電極41,43,45,47,52,54,56,58に電気的に接続し、負極端子を外側電極42,44,46,48,51,53,55,57に電気的に接続する。両方の場合において、測定に使用されていない電極は短絡する。 In the 0 ° mode, the positive electrode terminal of the impedance analyzer is electrically connected to the inner electrodes 21 to 28 of one main surface 12s of the piezoelectric substrate 12, and the negative electrode terminal is connected to the inner electrode of the other main surface 12t of the piezoelectric substrate 12. Electrically connect to 31-38. In the 45 ° mode, the outer electrodes 41 to 48, 51 to 58 are alternately electrically connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal. For example, the positive electrode terminals are electrically connected to the outer electrodes 41, 43, 45, 47, 52, 54, 56, 58, and the negative electrode terminals are connected to the outer electrodes 42, 44, 46, 48, 51, 53, 55, 57. Connect electrically. In both cases, electrodes not used for measurement are short-circuited.

図16は、0°モードと45°モードのインピーダンス特性の測定結果を示すグラフであり、ワイングラスモード付近の周波数応答を示している。図12から、0°モードと45°モードとの共振周波数で振動していることが分かる。測定された共振周波数は、0°モードでは95.7kHz、45°モードでは95.5kHzである。共振周波数は、有限要素によるシミュレーションとよく一致する。検出感度を高めるために、0°モードを検出、45°モードを駆動に用いることが好ましい。 FIG. 16 is a graph showing the measurement results of the impedance characteristics in the 0 ° mode and the 45 ° mode, and shows the frequency response in the vicinity of the wine glass mode. From FIG. 12, it can be seen that the vibration occurs at the resonance frequencies of the 0 ° mode and the 45 ° mode. The measured resonance frequency is 95.7 kHz in 0 ° mode and 95.5 kHz in 45 ° mode. The resonance frequency is in good agreement with the simulation with finite elements. In order to increase the detection sensitivity, it is preferable to detect the 0 ° mode and use the 45 ° mode for driving.

図17は、光ヘテロダイン微小振動測定装置(MLD−230D−200K、ネオアーク株式会社製)を用いて、共振端の速度を測定した結果を示すグラフである。0°モードで測定された速度から計算された振動振幅は、200mVの電圧振幅で80nmであった。45°モードで測定された速度から計算された振動振幅は、500mVの電圧振幅で25nmであった。 FIG. 17 is a graph showing the results of measuring the velocity at the resonance end using an optical heterodyne micro-vibration measuring device (MLD-230D-200K, manufactured by NeoArc Co., Ltd.). The vibration amplitude calculated from the velocity measured in 0 ° mode was 80 nm at a voltage amplitude of 200 mV. The vibration amplitude calculated from the velocity measured in 45 ° mode was 25 nm at a voltage amplitude of 500 mV.

共振周波数でのインピーダンスは、自励発振回路を用いて両方のモードで振動体11を発振させるのに十分に低かった。インピーダンス測定結果から計算された電気機械結合係数は、0°モードで30.0%であり、45°モードで4.3%であり、有限要素シミュレーションとよく一致した。測定されたインピーダンスから計算されたQ値は、0°モードで920であり、45°モードで1300であり、測定された速度から計算されたQ値は、0°モードで960であり、45°モードで880であった。 The impedance at the resonance frequency was low enough to oscillate the vibrating body 11 in both modes using a self-excited oscillation circuit. The electromechanical coupling coefficient calculated from the impedance measurement results was 30.0% in the 0 ° mode and 4.3% in the 45 ° mode, which was in good agreement with the finite element simulation. The Q value calculated from the measured impedance is 920 in 0 ° mode and 1300 in 45 ° mode, and the Q value calculated from the measured velocity is 960 in 0 ° mode and 45 °. It was 880 in mode.

以上に説明したように、振動体の圧電基板がLN等の異方性材料で作られていても、最適配向ウエハを使用することによって、モード整合が達成できる。したがって、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロを実現することができる。 As described above, even if the piezoelectric substrate of the vibrating body is made of an anisotropic material such as LN, mode matching can be achieved by using the optimally oriented wafer. Therefore, it is possible to realize a vibrating gyro using a single crystal piezoelectric material.

次に、実施例1の変形例を説明する。 Next, a modified example of the first embodiment will be described.

<変形例1> 図18は、振動体に用いる圧電基板の平面図である。図18(a)〜(c)に示すように、圧電基板91a〜91cの形状は、円形でも、正方形(図示せず)や正八角形や正十六角形等の正多角形でも構わない。この場合、圧電基板91a〜91cの加工が容易である。 <Modification Example 1> FIG. 18 is a plan view of a piezoelectric substrate used for a vibrating body. As shown in FIGS. 18A to 18C, the shapes of the piezoelectric substrates 91a to 91c may be circular, square (not shown), regular polygons such as regular octagons and regular hexadecagons. In this case, the piezoelectric substrates 91a to 91c can be easily processed.

また、図18(d)〜(f)に示すように、圧電基板91a〜91cの中心に中心穴91p〜91rを設けても、図18(a)〜(c)に示すように設けなくてもよい。中心穴91p〜91rを設けない場合には、例えば、圧電基板の中心点を支持したり、圧電基板の外周の複数箇所を径方向に弾力的に引っ張って圧電基板を保持したり、弾力性を有する部材の間に圧電基板を挟んで保持したりする。 Further, as shown in FIGS. 18 (d) to 18 (f), even if the center holes 91p to 91r are provided in the center of the piezoelectric substrates 91a to 91c, they are not provided as shown in FIGS. 18 (a) to 18 (c). May be good. When the center holes 91p to 91r are not provided, for example, the center point of the piezoelectric substrate is supported, or the piezoelectric substrate is held by elastically pulling a plurality of points on the outer periphery of the piezoelectric substrate in the radial direction to improve the elasticity. A piezoelectric substrate is sandwiched between the members to be held.

<変形例2> 図19の平面図に示すように、圧電基板94の同一主面94sに、0°モード用電極96a〜96cと45°モード用電極98a〜98cとを種々の態様で配置することが可能である。 <Modification 2> As shown in the plan view of FIG. 19, 0 ° mode electrodes 96a to 96c and 45 ° mode electrodes 98a to 98c are arranged in various modes on the same main surface 94s of the piezoelectric substrate 94. It is possible.

図19(a)では、圧電基板94の主面94sのうち、右側に一つの0°モード用電極96aが配置され、左側に、対になるように配置された2組の45°モード用電極98a,98sが90°ずらして配置されている。電極96aと2組の電極98a,98sとは、左右を反転して配置してもよい。 In FIG. 19A, of the main surfaces 94s of the piezoelectric substrate 94, one 0 ° mode electrode 96a is arranged on the right side, and two sets of 45 ° mode electrodes 96a are arranged in pairs on the left side. 98a and 98s are arranged so as to be offset by 90 °. The electrodes 96a and the two sets of electrodes 98a and 98s may be arranged upside down.

45°モード用電極98a,98sを用いて、45°モードの振動を駆動し、又は、45°モードの振動を検出することができる。図19(a)には、対になるように配置された45°モード用電極98a,98sが2組の場合を図示しているが、45°モード用電極98a,98sが少なくとも1組あれば、45°モードの振動を検出可能である。 The 45 ° mode electrodes 98a and 98s can be used to drive the 45 ° mode vibration or detect the 45 ° mode vibration. FIG. 19A illustrates the case where two sets of 45 ° mode electrodes 98a, 98s are arranged in pairs, but if there is at least one set of 45 ° mode electrodes 98a, 98s. , 45 ° mode vibration can be detected.

つまり、駆動用電極又は検出用電極は、駆動軸及び検出軸それぞれを含み圧電基板94の主面94sに垂直な4つの仮想面86〜89によって分割される圧電基板94の少なくとも一方の主面94sの8つの領域のうち、第1軸及び第2軸(すなわち、前述したX''軸及びY''軸)の間を等分する直線に平行である仮想面87,89を挟んで互いに隣り合う2つの領域に、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極98a,98sを含む。対になるように配置された45°モード用電極98a,98sは、(a)互いに逆位相の電圧が印加されると、圧電基板94内の45°モード用電極98a,98sに対向する対向領域において45°モードの振動を励起するための主面94sと平行方向のひずみを生成するように、又は、(b)圧電基板94内の45°モード用電極98a,98sに対向する対向領域に45°モードで振動しているときに主面94sと平行方向に生じたひずみによって互いに逆位相の電荷が検出されるように、構成されている。 That is, the drive electrode or the detection electrode includes at least one main surface 94s of the piezoelectric substrate 94 including the drive shaft and the detection shaft and is divided by four virtual surfaces 86 to 89 perpendicular to the main surface 94s of the piezoelectric substrate 94. Of the eight regions of, adjacent to each other with virtual surfaces 87 and 89 parallel to the straight line equally dividing between the first axis and the second axis (that is, the X ″ axis and the Y ″ axis described above). The two mating regions include at least one pair of 45 ° mode electrodes 98a, 98s arranged in pairs. The 45 ° mode electrodes 98a, 98s arranged in pairs are (a) opposite regions facing the 45 ° mode electrodes 98a, 98s in the piezoelectric substrate 94 when voltages having opposite phases are applied. In order to generate strain in the direction parallel to the main surface 94s for exciting the vibration in the 45 ° mode, or (b) in the region facing the electrodes 98a, 98s for the 45 ° mode in the piezoelectric substrate 94, 45. It is configured so that charges in opposite phases are detected by the strain generated in the direction parallel to the main surface 94s when oscillating in the ° mode.

図19(b)では、圧電基板94の主面94sのうち、内側に一つの0°モード用電極96bが配置され、外側に、対になるように配置された4組の45°モード用電極98b,98tが90°ごとに配置されている。 In FIG. 19B, of the main surface 94s of the piezoelectric substrate 94, one 0 ° mode electrode 96b is arranged inside, and four sets of 45 ° mode electrodes 96b are arranged so as to be paired outside. 98b and 98t are arranged every 90 °.

図19(c)では、内側に45°モード用の8つの電極98cが45°ごとに配置され、外側に0°モード用の一つの電極96cが配置されている。 In FIG. 19C, eight electrodes 98c for 45 ° mode are arranged inside every 45 °, and one electrode 96c for 0 ° mode is arranged outside.

図19(d)では、圧電基板94の主面94sのうち、内側に8つの内側電極97aが45°ごとに配置され、外側に8つの外側電極97bが45°ごとに配置されている。図19(d)の態様は、電極97a,97bの位相の組み合わせによって、図19(a)〜図19(c)等と等価になるので、汎用性が高い。例えば、内側電極97aについて、「A」が付された電極と「B」が付された電極とを同位相にするとともに、外側電極97bについて、「A」が付された電極と「B」が付された電極とを互いに逆位相にすると、図19(b)と等価になる。 In FIG. 19D, eight inner electrodes 97a are arranged at intervals of 45 ° on the inner side and eight outer electrodes 97b are arranged at intervals of 45 ° on the outer side of the main surface 94s of the piezoelectric substrate 94. The aspect of FIG. 19 (d) is highly versatile because it is equivalent to FIGS. 19 (a) to 19 (c) depending on the combination of the phases of the electrodes 97a and 97b. For example, for the inner electrode 97a, the electrode with "A" and the electrode with "B" are in phase, and for the outer electrode 97b, the electrode with "A" and "B" are in phase. When the attached electrodes are out of phase with each other, it becomes equivalent to FIG. 19B.

<変形例3> 0°モードの3軸電場と、45°モードの径方向の面内電場とを組み合わせるように、電極を配置してもよい。図20は、振動体の平面図である。図20は、図20(b)の線R−R'に沿って切断された部分断面図である。 <Modification Example 3> The electrodes may be arranged so as to combine the 3-axis electric field in the 0 ° mode and the in-plane electric field in the radial direction in the 45 ° mode. FIG. 20 is a plan view of the vibrating body. FIG. 20 is a partial cross-sectional view cut along the line RR'of FIG. 20 (b).

図20(a)は、0°モードの説明図である。図20(a)において「0」が付された4つの電極45xは、0°モード用電極45xであり、記号Pで示すように、それぞれの電界は同位相である。 FIG. 20A is an explanatory diagram of the 0 ° mode. The four electrodes 45x marked with “0” in FIG. 20A are 0 ° mode electrodes 45x, and as indicated by the symbol P, their electric fields are in phase.

図20(b)は、45°モードの説明図である。図20(b)において「45」が付された電極45a,45bは、対になるように配置された45°モード用電極45a,45bであり、周方向に隣り合う0°モード用電極45xの間に、径方向に間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置されている。 FIG. 20B is an explanatory diagram of the 45 ° mode. The electrodes 45a and 45b marked with "45" in FIG. 20B are 45 ° mode electrodes 45a and 45b arranged in pairs, and the 0 ° mode electrodes 45x adjacent to each other in the circumferential direction. They are arranged so as to face each other with a radial interval between them and form a pair.

45°モード用電極45a,45bは、図21(a)に示すように、圧電基板94の外周面94a及び内周面94bから離れて形成されてもよいし、図21(b)に示すように、圧電基板94の主面94s,94tから内周面94b又は外周面94aに連続するように形成されてもよい。 As shown in FIG. 21 (a), the 45 ° mode electrodes 45a and 45b may be formed apart from the outer peripheral surface 94a and the inner peripheral surface 94b of the piezoelectric substrate 94, or as shown in FIG. 21 (b). In addition, it may be formed so as to be continuous from the main surfaces 94s and 94t of the piezoelectric substrate 94 to the inner peripheral surface 94b or the outer peripheral surface 94a.

径方向に互いに対向する45°モード用電極45a,45bの間に、例えば図20(b)及び図21において矢印で示す方向の電界が発生する。 An electric field in the direction indicated by the arrow in FIGS. 20 (b) and 21 is generated between the 45 ° mode electrodes 45a and 45b facing each other in the radial direction.

45°モード用電極45a,45bを用いて、45°モードの振動を駆動し、又は、45°モードの振動を検出することができる。図20には、対になるように配置された4組の45°モード用電極45a,45bが図示されているが、対になるように配置された45°モード用電極45a,45bが少なくとも1組あれば、45°モードの振動を検出可能である。 The 45 ° mode electrodes 45a and 45b can be used to drive the 45 ° mode vibration or detect the 45 ° mode vibration. FIG. 20 shows four pairs of 45 ° mode electrodes 45a and 45b arranged in pairs, but at least one pair of 45 ° mode electrodes 45a and 45b is arranged. When assembled, vibration in 45 ° mode can be detected.

つまり、駆動用電極又は検出用電極は、駆動軸又は検出軸を含み第1軸及び第2軸(すなわち、前述したX''軸及びY''軸)それぞれに平行かつ圧電基板94の主面94s,94tに垂直である2つの仮想面86,88によって分割される圧電基板94の少なくとも一方の主面94sの4つの領域のうち少なくとも1つに、当該領域の隣接する領域との2つの境界線の間を等分する方向に間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極45a,45bを含む。対になるように配置された45°モード用電極45a,45bは、(a)電圧が印加されると、圧電基板94内の45°モード用電極45a,45bに対向する対向領域の間の中間領域において45°モードの振動を励起するための主面94s,94tと平行方向のひずみを生成するように、又は、(b)圧電基板94内の45°モード用電極45a,45bに対向する対向領域の間の中間領域に45°モードの振動によって主面94s,94tと平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように、構成されている。 That is, the drive electrode or the detection electrode includes the drive shaft or the detection shaft and is parallel to the first axis and the second axis (that is, the X ″ axis and the Y ″ axis described above) and the main surface of the piezoelectric substrate 94. At least one of four regions of at least one main surface 94s of the piezoelectric substrate 94 divided by two virtual surfaces 86,88 perpendicular to 94s, 94t has two boundaries with adjacent regions of the region. It includes at least one set of 45 ° mode electrodes 45a, 45b that are spaced apart from each other in a direction that equally divides the lines and are arranged so as to face each other. The 45 ° mode electrodes 45a and 45b arranged in pairs are intermediate between the facing regions facing the 45 ° mode electrodes 45a and 45b in the piezoelectric substrate 94 when the voltage (a) is applied. To generate strain in the direction parallel to the main surfaces 94s, 94t for exciting 45 ° mode vibrations in the region, or (b) facing the 45 ° mode electrodes 45a, 45b in the piezoelectric substrate 94. In the intermediate region between the regions, the charge is detected by the strain generated in the direction parallel to the main surfaces 94s and 94t by the vibration in the 45 ° mode.

<変形例4> 0°モードの3軸電場と、45°モードの周方向の面内電場とを組み合わせてもよい。図22は、振動体の平面図である。図23は、図22(b)の線S−S'に沿って切断した断面図である。 <Modification Example 4> A 3-axis electric field in the 0 ° mode and an in-plane electric field in the circumferential direction in the 45 ° mode may be combined. FIG. 22 is a plan view of the vibrating body. FIG. 23 is a cross-sectional view taken along the line SS'of FIG. 22 (b).

図22(a)は、0°モードの説明図である。図22(a)において「0」が付された4つの電極45yは0°モード用電極45yであり、記号Pで示すように、それぞれの電界は同位相である。 FIG. 22A is an explanatory diagram of the 0 ° mode. The four electrodes 45y marked with “0” in FIG. 22A are 0 ° mode electrodes 45y, and as indicated by the symbol P, their electric fields are in phase.

図22(b)は、45°モードの説明図である。図22(b)において「45」が付された電極45p,45qは、45°モード用電極45p,45qであり、周方向に互いに隣り合う0°モード用電極45yの間に、周方向に互いに対向し対になるように配置されている。互いに周方向に対向する45°モード用電極45p,45qの間に、例えば図22(b)及び図23において矢印で示す方向の電界が発生する。 FIG. 22B is an explanatory diagram of the 45 ° mode. The electrodes 45p and 45q marked with “45” in FIG. 22B are 45 ° mode electrodes 45p and 45q, and are located between the 0 ° mode electrodes 45y adjacent to each other in the circumferential direction. They are arranged so as to face each other and form a pair. An electric field in the direction indicated by the arrow in FIGS. 22 (b) and 23, for example, is generated between the 45 ° mode electrodes 45p and 45q facing each other in the circumferential direction.

45°モード用電極45p,45qを用いて、45°モードの振動を駆動し、又は、45°モードの振動を検出することができる。図22には、対になるように配置された4組の45°モード用電極45p,45qが図示されているが、対になるように配置された45°モード用電極45a,45bが少なくとも1組あれば、45°モードの振動を検出可能である。 The 45 ° mode electrodes 45p and 45q can be used to drive the 45 ° mode vibration or detect the 45 ° mode vibration. FIG. 22 shows four sets of 45 ° mode electrodes 45p and 45q arranged in pairs, but at least one of the 45 ° mode electrodes 45a and 45b arranged in pairs. When assembled, vibration in 45 ° mode can be detected.

つまり、駆動用電極又は検出用電極は、駆動軸及び検出軸それぞれを含み圧電基板94の主面94s,94tに垂直な4つの仮想面86〜89によって分割される圧電基板94の少なくとも一方の主面94sの8つの領域のうち、第1軸及び第2軸(すなわち、前述したX''軸及びY''軸)の間を等分する直線に平行である仮想面87,89を挟んで互いに隣り合う2つの領域に、間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極45p,45qを含む。対になるように配置された45°モード用電極45p,45qは、(a)電圧が印加されると、圧電基板94内の45°モード用電極45p,45qに対向する対向領域の間の中間領域において45°モードの振動を励起するための主面94s,94tと平行方向のひずみを生成するように、又は、(b)圧電基板94内の45°モード用電極45p,45qに対向する対向領域の間の中間領域に45°モードで振動しているときに主面94s,94tと平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように、構成されている。 That is, the drive electrode or the detection electrode is at least one main of the piezoelectric substrate 94 including the drive shaft and the detection shaft and is divided by four virtual surfaces 86 to 89 perpendicular to the main surfaces 94s and 94t of the piezoelectric substrate 94. Of the eight regions of the surface 94s, the virtual surfaces 87 and 89 parallel to the straight line equally dividing between the first axis and the second axis (that is, the X ″ axis and the Y ″ axis described above) are sandwiched. Two regions adjacent to each other include at least one set of 45 ° mode electrodes 45p, 45q that are spaced apart from each other and are arranged in pairs. The 45 ° mode electrodes 45p and 45q arranged in pairs are intermediate between the facing regions facing the 45 ° mode electrodes 45p and 45q in the piezoelectric substrate 94 when the voltage (a) is applied. To generate strain in the direction parallel to the main surfaces 94s, 94t for exciting 45 ° mode vibrations in the region, or (b) opposite the 45 ° mode electrodes 45p, 45q in the piezoelectric substrate 94. It is configured so that the charge is detected by the strain generated in the direction parallel to the main surfaces 94s and 94t when vibrating in the 45 ° mode in the intermediate region between the regions.

<変形例5> 圧電基板は、均一な厚みでなくても構わない。例えば、圧電基板の外周近傍の領域の厚みを、他の領域の厚みより大きくて錘にする。圧電基板の厚みを部分的に変えることによって、0°モードと45°モードの共振周波数のずれを補償することも可能である。 <Modification 5> The piezoelectric substrate does not have to have a uniform thickness. For example, the thickness of the region near the outer circumference of the piezoelectric substrate is made larger than the thickness of the other regions to form a weight. By partially changing the thickness of the piezoelectric substrate, it is possible to compensate for the difference in resonance frequency between the 0 ° mode and the 45 ° mode.

また、外周近傍の領域の厚みを厚くしたリング型の変形として、圧電基板の厚みを変えることにより、ワイングラス(半球面)型やカップ(円筒)型も可能である。この場合、ディスク型に比べて共振周波数を低くすることが可能である。 Further, as a modification of the ring type in which the thickness of the region near the outer circumference is increased, a wine glass (hemispherical shape) type or a cup (cylindrical) type is also possible by changing the thickness of the piezoelectric substrate. In this case, it is possible to lower the resonance frequency as compared with the disc type.

<まとめ> 以上に説明したように、適切なカット角を選択することにより、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロを構成することができる。 <Summary> As described above, a vibrating gyro using a single crystal piezoelectric material can be constructed by selecting an appropriate cutting angle.

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications.

例えば、圧電基板の厚みや外径等の寸法、電極の寸法や形状や配置等は、適宜に選択すればよい。 For example, the dimensions such as the thickness and outer diameter of the piezoelectric substrate, the dimensions, shape, and arrangement of the electrodes may be appropriately selected.

1 第1軸(駆動軸又は検出軸)
2 第2軸(検出軸又は駆動軸)
10 振動ジャイロ
11 振動体
12 圧電基板
12w ウェハ
21〜28,31〜38 内側電極(駆動用電極又は検出用電極)
41〜48,51〜58 外側電極(検出用電極又は駆動用電極)
45a,45b,45p,45q 45°モード用電極
86〜89 仮想面
92,94 圧電基板
96,96a,96b,96c 電極
97a,97b 電極
98 電極
98a,98b 45°モード用電極
98c 電極
98s,98t 45°モード用電極
1 1st axis (drive axis or detection axis)
2 2nd axis (detection axis or drive axis)
10 Vibrating gyro 11 Vibrating body 12 Piezoelectric substrate 12w Wafer 21-28, 31-38 Inner electrode (driving electrode or detection electrode)
41-48, 51-58 outer electrodes (detection electrodes or drive electrodes)
45a, 45b, 45p, 45q 45 ° mode electrode 86-89 Virtual surface 92,94 Piezoelectric substrate 96, 96a, 96b, 96c Electrode 97a, 97b Electrode 98 Electrode 98a, 98b 45 ° mode electrode 98c Electrode 98s, 98t 45 ° Mode electrode

Claims (7)

縮退モードのワイングラス振動あるいは円環広がり振動で駆動、検出する振動ジャイロであって、
互いに対向する一対の主面を有する圧電基板と、
前記圧電基板を、前記主面に平行かつ互いに直交する2つの駆動軸の方向に振動させる電界を前記圧電基板に印加するための駆動用電極と、
前記圧電基板の、前記駆動軸の間を等分する2つの検出軸の方向の振動によって前記圧電基板に励起される電荷を検出するための検出用電極と、
を備え、
前記圧電基板は、
三方晶系の点群3mに分類される単結晶の圧電材料からなり、
前記単結晶の結晶軸X,Y,ZのうちZ軸が分極方向であり、
前記結晶軸X,Y,Zによる結晶XYZ座標系を右手系オイラー角の定義に従って、前記Z軸周りに角度ψ回転したX'Y'Z'座標系を、さらにX'軸周りに角度θ回転したX''Y''Z''座標が前記圧電基板のウエハ座標系であるとすると、
2つの前記駆動軸と2つの前記検出軸とのうち一方は、X''軸又はY''軸に平行であり、
2つの前記駆動軸と2つの前記検出軸とのうち他方は、前記X''軸及び前記Y''軸の間を等分する2つの直線のうち一方又は他方に平行であり、
前記圧電基板の前記主面方向の弾性コンプライアンスが前記主面内の方位によらず略一定であることを特徴とする、振動ジャイロ。
A vibration gyro that is driven and detected by wine glass vibration or ring spreading vibration in degenerate mode.
A piezoelectric substrate having a pair of main surfaces facing each other,
A drive electrode for applying an electric field that vibrates the piezoelectric substrate in the directions of two drive shafts parallel to the main surface and orthogonal to each other, and
A detection electrode for detecting the electric charge excited by the piezoelectric substrate due to vibration in the direction of the two detection shafts that equally divide the drive shafts of the piezoelectric substrate.
With
The piezoelectric substrate is
It consists of a single crystal piezoelectric material classified into a trigonal point cloud of 3 m.
Of the crystal axes X, Y, and Z of the single crystal, the Z axis is the polarization direction.
The X'Y'Z'coordinate system obtained by rotating the crystal XYZ coordinate system based on the crystal axes X, Y, Z by an angle ψ around the Z axis according to the definition of right-handed Euler angles, and further rotating the angle θ around the X'axis. Assuming that the X''Y''Z''coordinates are the wafer coordinate system of the piezoelectric substrate,
One of the two drive shafts and the two detection shafts is parallel to the X ″ axis or the Y ″ axis.
The other of the two drive shafts and the two detection axes is parallel to one or the other of the two straight lines that equally divide between the X ″ axis and the Y ″ axis.
A vibration gyro, characterized in that the elastic compliance of the piezoelectric substrate in the main surface direction is substantially constant regardless of the orientation in the main surface.
前記圧電基板は、ニオブ酸リチウムの単結晶からなり、
−4°<ψ<4°、かつ、63°<θ<67°
であることを特徴とする、請求項1に記載の振動ジャイロ。
The piezoelectric substrate is made of a single crystal of lithium niobate.
-4 ° <ψ <4 ° and 63 ° <θ <67 °
The vibrating gyro according to claim 1, wherein the vibration gyro is characterized by the above.
前記圧電基板は、カット角が155°以上、かつ156°以下のYカット板であることを特徴とする、請求項2に記載の振動ジャイロ。 The vibration gyro according to claim 2, wherein the piezoelectric substrate is a Y-cut plate having a cut angle of 155 ° or more and 156 ° or less. 前記圧電基板の前記形状は、円形又は正多角形であることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一つに記載の振動ジャイロ。 The vibration gyro according to any one of claims 1 to 3, wherein the shape of the piezoelectric substrate is circular or a regular polygon. 前記駆動用電極又は前記検出用電極は、
2つの前記駆動軸及び2つの前記検出軸それぞれを含み前記圧電基板の前記主面に垂直である4つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の8つの領域のうち、前記X''軸及び前記Y''軸の間を等分する前記直線に平行である前記仮想面を挟んで互いに隣り合う2つの前記領域に、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極を含み、
対になるように配置された前記45°モード用電極は、互いに逆位相の電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該45°モード用電極に対向する対向領域において45°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記対向領域に45°モードで振動しているときに前記主面と平行方向に生じたひずみによって互いに逆位相の電荷が検出されるように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一つに記載の振動ジャイロ。
The drive electrode or the detection electrode is
Of the eight regions of at least one of the main surfaces of the piezoelectric substrate, each of which includes the two drive shafts and the two detection axes and is divided by four virtual surfaces perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate. At least one set of pairs arranged in two adjacent regions across the virtual plane parallel to the straight line that equally divides between the X'axis and the Y'axis. Includes electrodes for 45 ° mode
When voltages of opposite phases are applied to the 45 ° mode electrodes arranged in pairs, the 45 ° mode vibrations occur in the facing region of the piezoelectric substrate facing the 45 ° mode electrodes. Due to the strain generated in the direction parallel to the main surface for excitation, or to generate the strain in the direction parallel to the main surface when vibrating in the facing region in the piezoelectric substrate in 45 ° mode. The vibration gyro according to any one of claims 1 to 4, wherein charges of opposite phases are detected.
前記駆動用電極又は前記検出用電極は、
前記駆動軸又は前記検出軸を含み前記X''軸及び前記Y''軸それぞれに平行かつ前記圧電基板の前記主面に垂直である2つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の4つの領域のうち少なくとも1つに、当該領域の隣接する前記領域との2つの境界線の間を等分する方向に間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極を含み、
対になるように配置された前記45°モード用電極は、電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該45°モード用電極に対向する対向領域の間の中間領域において45°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記中間領域に45°モードの振動によって前記主面と平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一つに記載の振動ジャイロ。
The drive electrode or the detection electrode is
At least one of the piezoelectric substrates divided by two virtual planes including the drive shaft or the detection shaft, parallel to each of the X'axis and the Y'axis and perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate. At least one of the four regions of the main surface is arranged so as to face each other and form a pair at least one of the four regions of the main surface at intervals in a direction that equally divides the two boundaries with the adjacent regions of the region. Includes at least one set of 45 ° mode electrodes
When a voltage is applied, the 45 ° mode electrodes arranged in pairs vibrate in the 45 ° mode in the intermediate region between the facing regions facing the 45 ° mode electrodes in the piezoelectric substrate. Charges are detected by the strain generated in the direction parallel to the main surface so as to generate a strain in the direction parallel to the main surface for exciting, or by the vibration in the 45 ° mode in the intermediate region in the piezoelectric substrate. The vibrating gyro according to any one of claims 1 to 4, wherein the vibration gyro is configured to be the same.
前記駆動用電極又は前記検出用電極は、
2つの前記駆動軸及び2つの前記検出軸それぞれを含み前記圧電基板の前記主面に垂直である4つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の8つの領域のうち、前記X''軸及び前記Y''軸の間を等分する前記直線に平行である前記仮想面を挟んで互いに隣り合う2つの前記領域に、間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも1組の45°モード用電極を含み、
対になるように配置された前記45°モード用電極は、電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該45°モード用電極に対向する対向領域の間の中間領域において45°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記中間領域に45°モードの振動によって前記主面と平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように構成されていることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一つに記載の振動ジャイロ。
The drive electrode or the detection electrode is
Of the eight regions of at least one of the main surfaces of the piezoelectric substrate, each of which includes the two drive shafts and the two detection axes and is divided by four virtual surfaces perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate. The two regions that are adjacent to each other with the virtual surface parallel to the straight line that equally divides the X ″ axis and the Y ″ axis are spaced apart from each other so as to be paired with each other. Includes at least one set of 45 ° mode electrodes arranged in
When a voltage is applied, the 45 ° mode electrodes arranged in pairs vibrate in the 45 ° mode in the intermediate region between the facing regions facing the 45 ° mode electrodes in the piezoelectric substrate. Charges are detected by the strain generated in the direction parallel to the main surface so as to generate a strain in the direction parallel to the main surface for exciting, or by the vibration in the 45 ° mode in the intermediate region in the piezoelectric substrate. The vibrating gyro according to any one of claims 1 to 4, wherein the vibration gyro is configured to be the same.
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