JP3856108B2 - 振動型ジャイロスコープ用振動子および振動型ジャイロスコープ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動型ジャイロスコープ用振動子および振動型ジャイロスコープに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、振動型ジャイロスコープを自動車に搭載し、自動車の車体の方向の制御に使用することが検討されている。例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用するときには、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば車載用途の振動型ジャイロスコープにおいては、ジャイロスコープの使用温度範囲がきわめて広く、例えば、−４０℃−＋８５℃の温度範囲において安定に動作することが要求される。そして、室温において、一対の屈曲振動片の共振周波数を一定値に調節していても、周囲温度が高温や低温に大きく変化したときには、共振周波数の変動やバラツキが大きくなることがある。この結果、いわゆるゼロ点温度ドリフトが発生することがある。
【０００４】
本発明の課題は、振動型ジャイロスコープにおいて、水晶振動子からの回転角速度の検出値の温度ドリフトを低減することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水晶からなる平板状の振動片を備える振動型ジャイロスコープ用の振動子であって、
前記振動片が、一対の主面、一方の側面および他方の側面を備えており、一方の側面が水晶のａ軸に垂直であり、他方の側面が
【数３】

面であり、前記一方の側面に突起が形成されており、
前記
【数４】

面における稜線の高さが前記振動片の厚さの０．５％以上、２％以下であり、前記稜線と前記振動片の中心面との距離が、前記振動片の厚さの５％以下であることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明は、前記の振動子を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープに係るものである。
【０００７】
本発明者は、水晶振動子を備える振動型ジャイロスコープの生産を検討していたが、その過程において、一部の振動子に大きなゼロ点温度ドリフトが発生し、不良品の割合増加の原因となることを発見した。本発明者はこの原因を検討し、次の発見に至った。
【０００８】
図１に示すように、平板状の振動片１が、一対の主面１ａ、１ｂと、側面２、３とを備えているものとする。主面１ａは＋Ｚ面であり、主面１ｂは−Ｚ面であり、側面２は＋Ｘ面であり、側面３は−Ｚ面である。Ａは、振動片１の中心面である。水晶は、３回回転対称のａ軸と、ａ軸に垂直なｃ軸とを有している。ここで、＋Ｘ面２がａ軸に垂直であり、＋Ｚ面１ａがｃ軸に垂直であるものとする。この場合には、−Ｘ面３は、結晶学的に四指数表現で言うところの
【数４】

面となる。
【０００９】
ここで、水晶をエッチングすると、＋Ｘ面２の中央部付近に、細長い突起２４が残留することが知られている。この突起２４の高さは、例えば２５〜３０μｍ程度であり、突起２４の幅は１００μｍ程度になることがある。こうした突起２４は−Ｘ面３側には形成されない。従って、＋Ｘ面２上の突起２４が、振動型ジャイロスコープのゼロ点温度ドリフトの原因となると考えることは自然である。このため、本発明者は、突起２４の形状を制御するために種々の検討を重ねたが、前述したゼロ点温度ドリフトに対しては大きな影響は見られなかった。
【００１０】
そこで、本発明者は、−Ｘ面側の形状を観測した。この結果、−Ｘ面３側には、図２、図３に示すような細長い稜線５が形成されていることが分かった。この稜線５は、−Ｘ面３上を、中心面Ａと略平行に細長く延びていた。また、稜線５の両側には、略平面状の傾斜面６Ａ、６Ｂが、角７へと向かって延びていた。
【００１１】
ただし、基準平面Ｂからの稜線５の高さは例えば３μｍ程度と非常に低い。このため、反対側の＋Ｘ面２側の突起２４とは異なり、稜線５側の基準面Ｂからの隆起はきわめて小さく、このためにゼロ点温度ドリフトに顕著な影響を与えるものとは考えていなかった。ところが、ゼロ点温度ドリフトが生じた振動子について、−Ｘ面３側の稜線５の位置を検討したみたところ、図２（ａ）、図７（ａ）に示すように稜線の位置が偏っていることを発見した。また、ゼロ点温度ドリフトが小さい振動子について、−Ｘ面３側の稜線５の位置を検討したみたところ、図７（ｂ）および図８に示すように、稜線の位置が中心面Ａの近くに位置することを見いだした。
【００１２】
これは、僅かな変形に過ぎない稜線５の位置が、はるかに隆起体積の大きい＋Ｘ面２側の突起２４に比べて、ゼロ点温度ドリフトに対して多大な影響を有していることを示しており、意外であった。そして、この知見に基づいて、稜線５の位置が中心面Ａの近傍に位置するようにエッチングを行うことによって、振動子のゼロ点温度ドリフトを低減できる。
【００１３】
具体的には、図２（ａ）、（ｂ）において、側面３における稜線５の高さｈを振動片の厚さＤの２％以下である。本発明は、こうしたレベルの、振動片の厚さＤに比べてきわめて小さい高さの稜線５が、振動片の側面３に形成されるような場合を対象とする。
【００１４】
この上で、稜線５（稜線５が存在する平面Ｃ）と振動片１の中心面Ａとの距離ｄを、振動片の厚さＤの５％以下とする。これによって、前述した振動型ジャイロスコープのゼロ点温度ドリフトを著しく低減し、振動子ごとのゼロ点温度ドリフトのバラツキを抑制することに成功した。
【００１５】
本発明においては、側面３における稜線５の高さｈを振動片の厚さＤの２％以下とすることが特に好ましい。
また、稜線５の高さｈは特に限定されないが、本発明の効果を奏する上では６μｍ以下が好ましい。また、稜線５の高さの下限は特にないが、一般には振動片の厚さＤの０．５％以上であり、あるいは、１μｍ以上である。
【００１６】
また、稜線５と振動片１の中心面Ａとの距離ｄを、振動片の厚さＤの５％以下とすることが、本発明の効果を奏する上で更に好ましい。また、距離ｄは特に限定されないが、本発明の効果を奏する上では５０μｍ以下が好ましい。
更に、振動片の厚さＤも特に限定されないが、振動子の取り扱い強度の観点からは１００μｍ以上とすることが好ましい。また、振動片の励振効率を高くするという観点からは、Ｄを３００μｍ以下とすることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の振動子は、水晶からなる平板状の振動片を備えている。ここで、振動片の動作モードは限定されないが、屈曲振動モードであることが特に好ましい。また、振動片が平板状であるとは、幾何学的に厳密な意味ではなく、製造上の誤差は許容される。また、本発明の振動子において、この振動片以外の部分は平板状でなくともよい。ただし、好適な実施形態においては、振動子の全体が平板状である。
【００１８】
好適な実施形態においては、振動片が細長く形成されており、かつ前記の側面３が振動片の長手方向に向かって延びている。特に好適な実施形態においては、この振動片が屈曲振動する振動片である。この場合には、前記の稜線が屈曲振動の方向と略垂直方向に延びることになるが、このような場合にゼロ点温度ドリフトが特に発生しやすいので、本発明が効果的である。
【００１９】
本発明の稜線の生成の原因は特に限定されない。しかし、好適な実施形態においては、振動片がエッチングによって形成されており、このエッチングの過程において稜線が生成する。
【００２０】
このエッチャントは限定されないが、以下のものが好ましい。
エッチャントは、ふっ酸を含有していることが好ましく、ふっ酸水溶液か、あるいはふっ酸とフッ化アンモニウムとを任意の割合で混合した水溶液が好ましい。エッチャントの濃度は、４０重量％以下が好ましく、エッチャントの温度は、４０〜８０℃が好ましい。
【００２１】
振動片に本発明の稜線形状を形成するためには、例えば以下の方法による。
金とクロムの２層からなるマスクがウエハ両面に所定の形状に形成された水晶ｚ板のウエハを、ふっ酸とフッ化アンモニウム混合水溶液によりウェットエッチングする。
【００２２】
本発明の振動型ジャイロスコープは、前述の振動子を備えている。この振動型ジャイロスコープは、更に駆動手段、検出手段を備えている。駆動手段、検出手段は、一般には振動子上に形成される電極の形態をしている。
【００２３】
好適な実施形態においては、本発明の振動型ジャイロスコープは、振動片が設けられる平面Ａに対して略垂直な回転軸の回りの回転角速度を測定するものである。特に好ましくは、振動片が、平面Ａに沿って屈曲振動する。図４、図５は、この実施形態に係る振動子を示すものである。
【００２４】
振動子１５は、平面Ａに対して略垂直なＺ軸を中心とする回転角速度を測定できるものである。振動子１５の基部１Ａは、振動子の重心ＧＯを中心として、４回対称の正方形をしている。基部１Ａの周縁部から、四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系１０Ａ、１０Ｂと２つの検出振動系１２Ａ、１２Ｂとが突出しており、各振動系は互いに分離されている。
【００２５】
駆動振動系１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ、基部１Ａの周縁部から突出する細長い支持部２０と、支持部２０の先端側から支持部２０に直交する方向に延びる屈曲振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄとを備えている。各屈曲振動片には、それぞれ、図４に示すように駆動電極１７が設けられている。検出振動系１２Ａ、１２Ｂは、細長い周方向屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂからなる。各屈曲振動片には、図４に示すように検出電極１８が設けられている。
【００２６】
駆動モードにおいては、各屈曲振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが、支持部２０の先端部分を中心として、図５に示すように、矢印ＡＹのように屈曲振動する。検出モードにおいては、各支持部２０が、その基部１Ａへの付け根を中心として矢印ＣＸのように周方向に屈曲振動する。これに対応して、各検出振動系の各屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂが、矢印ＢＹのように屈曲振動する。各屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂに励起される各検出振動を測定することによって、垂直軸Ｚの周りの回転角速度を測定する。
【００２７】
この実施形態においては、振動子の全体がＸ−Ｙ平面（平面Ａ）に沿って形成されている。そして、各屈曲振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１６Ａ、１６Ｂは、それぞれＹ軸方向に向かって延びており、それぞれ＋Ｘ軸方向の側面２と、−Ｘ軸方向の側面３とを備えている。この側面３は、本発明による稜線形状を備えている。
【００２８】
また、好適な実施形態においては、本発明の振動型ジャイロスコープは、振動片が設けられる平面Ａに対して略平行な回転軸の回りの回転角速度を測定するものである。図６は、この実施形態に係る振動子４を示すものである。
【００２９】
振動子４は、基部１Ｂと、一対の音叉型振動片９Ａ、９Ｂからなる駆動振動系１０Ｃと、一対の音叉型振動片１１Ａ、１１Ｂからなる検出振動系１２Ｃとを備えている。各屈曲振動片９Ａ、９Ｂ、１１Ａ、１１ＢはＹ軸方向に延びている。各駆動振動片９Ａ、９Ｂを、矢印ＡＸのようにＸＹ面内でＸ軸の方向に振動させる。実装基板をＹ軸を中心として回転させると、検出振動片１１Ａ、１１Ｂは矢印ＢＺのように垂直軸Ｚの方向に振動する。この振動を検出することによって、Ｙ軸を中心とする回転角速度を測定する。
【００３０】
この実施形態においては、振動子の全体がＸ−Ｙ平面（平面Ａ）に沿って形成されている。そして、各屈曲振動片９Ａ、９Ｂ、１１Ａ、１１Ｂは、それぞれＹ軸方向に向かって延びており、それぞれ＋Ｘ軸方向の側面２と、−Ｘ軸方向の側面３とを備えている。この側面３は、本発明による稜線形状を備えている。
【００３１】
【実施例】
図４、図５に示す振動型ジャイロスコープを作製した。具体的には、厚さ０．３ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、厚さ２００オングストロームのクロム膜と、厚さ５０００オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。
【００３２】
このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子１５の外形を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ２０００オングストロームのアルミニウム膜を電極膜として形成した。
【００３３】
得られた振動子１５の基部１Ａの寸法は６．０ｍｍ×６．０ｍｍである。各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの寸法は、幅１．０ｍｍ×長さ６．０ｍｍである。各駆動電極１７の寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍである。各検出振動片１６Ａ、１６Ｂの寸法は、幅１．０ｍｍ×長さ６．０ｍｍである。各検出電極１８の寸法は、幅０．６ｍｍ×長さ２．８ｍｍである。
【００３４】
振動子１５の基部１Ａの中央に０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの正方形の支持孔を形成し、この支持孔に直径０．６ｍｍの金属ピンを通し、金属ピンに対して振動子１５をシリコーン樹脂接着剤によって接着した。
【００３５】
ここで、各振動子の側面３において、稜線の高さの振動片の厚さに対する比率と、稜線と振動片の中心面との距離の振動片の厚さに対する比率とを、表１に示すように制御した。これらの数値は、 測定用の光学顕微鏡によって測定した。
【００３６】
得られた各振動子を利用した各振動型ジャイロスコープについて、検出信号の測定値の−４０℃より＋８５℃の温度域におけるゼロ点信号の温度変動を測定した。この結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
また、表１の比較例８の振動子の振動片の側面３の写真を図７に示し、実施例４の振動子の振動片の側面３の写真を図８に示す（倍率２００倍）。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の振動型ジャイロスコープによれば、水晶振動子からの回転角速度の検出値の温度ドリフトを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動片１の断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、振動片１の側面３付近の断面図である。
【図３】図２（ｂ）の振動片１の側面３を正面から見た図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロスコープを示す斜視図である。
【図５】図４の振動子１５の平面図である。
【図６】振動子４の平面図である。
【図７】比較例 ８ の振動片の側面の写真である。
【図８】実施例 ４ の振動片の側面の写真である。
【符号の説明】
１ 振動片 １ａ ＋Ｚ面側の主面 １ｂ −Ｚ面側の主面 ２ ＋Ｘ面側の側面 ３ −Ｘ面側の側面 ４、１５ 振動子 ５ 稜線 ６Ａ、６Ｂ 傾斜面 ７ 角 ９Ａ、９Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ 駆動用の屈曲振動片 １０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 駆動振動系 １１Ａ、１１Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ 検出用の屈曲振動片 １２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 検出振動系 Ａ 振動片１の中心面 Ｂ 側面３における基準平面 Ｃ 稜線５が位置する平面 Ｄ 振動片１の厚さ ｄ 稜線５と振動片の中心面Ｃとの距離 ｈ 稜線５の高さ

Claims (3)

1. 水晶からなる平板状の振動片を備える振動型ジャイロスコープ用の振動子であって、
   前記振動片が、一対の主面、一方の側面および他方の側面を備えており、前記一方の側面が水晶のａ軸に垂直であり、前記他方の側面が
   

   

   面であり、前記一方の側面に突起が形成されており、
   前記
   

   

   面における稜線の高さが前記振動片の厚さの０．５％以上、２％以下であり、前記稜線と前記振動片の中心面との距離が、前記振動片の厚さの５％以下であることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ用振動子。
2. 前記振動片がエッチングによって形成されていることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
3. 請求項１または２記載の振動子を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。

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