JP4118497B2 - 慣性レートセンサ用音叉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、回転レートセンサのような慣性レートセンサに係わり、特に、慣性レートセンサに使用される音叉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すように、慣性レート（変化率）システムに使用される従来の振動性水晶音叉は、股１２の位置でいっしょになる一定の長方形断面をもつ一対の長い歯１１を有し、股１２は、装置の軸に垂直な中央部１３と、第１対部分及び上記歯を相互接続している一又はそれ以上の別の対部分１４とを含んでいる。そのような音叉の一例は、欧州特許出願ＥＰ ０ ８２１ ４８１ Ａ２に開示されている。米国特許第5,366,194号明細書には一定の長方形断面をもつ直線状の歯を備えた二頭音叉が開示されている。
【０００３】
これらの音叉において、歯の側面１６は、歯全体にわたり相互に平行であり、上面及び下面も同様である。この形状の音叉は、二つの基本的横振動モードをもっており、その一つは音叉面に平行な矢印１８で示す方向の振動であり、他方は音叉面に垂直な矢印１９で示す方向の振動である。音叉がいずれかのモードで共振しているとき、任意の面にかかる最大応力は面のベース位置に発生し、最小応力は先端に発生する。面に沿う応力の分布は線形ではなく、ベース付近に集中しており、それゆえ面の外側のほとんどの部分が低応力レベルにある。さらに、股が歯とつながる隅では、音叉がこの形状をもつこととこの形状に生じやすいファセット（小結晶）が発生することのために、局所的応力レベルはさらに高くなる。そのような応力集中を無視すれば、歯に沿った応力分布はほぼ以下のようになる。
【表１】

【０００４】
水晶は圧電性物質であるので、歯の面に生じる応力がその面上に電荷を発生させ、その電荷は電極で集めることができる。逆に、電気的ポテンシャルを電極に加えることにより、応力を発生させることができる。発生する電荷の大きさは応力の当該面上の面積積分値に比例する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような標準的な歯形状は、歯の性能を制限するいくつかの欠点を有する。結晶性材料を化学的にエッチングするときに生じる製造誤差およびファセット発生のため、ほとんどの歯の断面積は真の長方形にならない。これらの誤差は基本振動モードを音叉面に対して或角度に向けさせ、音叉面に正確に整合させない。ファセットはしばしば、股と歯との間の隅２１で最大となり、ここで応力は最高となり、歯の反り角に対するファセットの影響が最大となる。
【０００６】
また、電荷のほとんどが歯のベース付近に発生するので、歯の長さ全体にわたる電極は非効率である。応力レベルは歯先端に向けて低くなるため、電極の外側部分はおおむね非効率である。
【０００７】
この標準的歯形状に見られるもう一つの欠点は、高応力レベルが股と歯との接合部にあることであり、この応力レベルはこの点における応力集中によってさらに増大する。音叉を破壊しないためには、この接合部における最大応力を音叉材料の破壊強度未満に維持しなければならない。歯に沿った応力は股付近の応力レベルよりもかなり低いので、電極で集めることができる電荷もまた強く限定される。
【０００８】
さらに、長さ、幅、厚み及び振動数との間に一定の関係があるので、歯の設計の自由度はいくらか制限される。したがって、たとえば厚さ及び振動数が満たすべき条件が指定されるなら、長さ及び幅のみを変えることができる。振動数は長さおよび幅の関係に比例するので、音叉の設計は、数通りのものに限定される。このため、性能の最適化は非常に限定される。
【０００９】
従来の音叉の股部分における中央部１３は、この部分とこれに隣接する部分１４との間に好ましくないブリッジング ファセット２２を形成し易いという別の問題がある。そのようなファセットは股の部分全体あるいは面を跨ぐ傾向がある。加えて、中央部が存在するために他の部分の長さが制限され、またブリッジングを起こす原因ともなる。
【００１０】
本発明の目的は、新規且つ改良された慣性レートセンサ用音叉を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、従来の音叉の制限および欠点を解決した新規かつ改良された音叉を提供することにある。
【００１２】
【発明の概要】
これらの目的および他の目的は、ベース及び一対のテーパ状歯を備えた圧電材料のボディーを有し、これらの一対の歯がベースから延び且つベースから歯の先端に向けて横方向寸法が減少する音叉を提供する本発明により達成される。上記歯のベース位置にある股部分は、圧電材料の結晶面内にある一対の内側面と、圧電材料の別の結晶面内にあって上記内側面対と歯との間に延びる一対の外側面とを有する。孤立スロットが、股に隣接するベース内に形成され、孤立スロットは、このスロットに跨るファセット及び膜の形成を防止するためにスロットの両端で拡大する切り取り部を有する。
【００１３】
【発明の好ましい実施の形態】
図２に示す二頭音叉２６は、水晶材料のウェーハから作られるが、その際、音叉は水晶のｘ−ｙ面内にあって音叉の長手方向軸２７が水晶のｙ軸（Ｙ１と記す）と整合するようにする。水晶の正のｘ軸（Ｘ１と記す）は音叉の長手方向軸に垂直であり、水晶のｚ軸は鉛直に延び、ｘ−ｙ面に垂直である。この音叉はその一方の側に設けた一対のテーパ状駆動歯２８と他方の側に設けた一対のテーパ状ピックアップ歯２９とを有する。
【００１４】
水晶の三方晶構造により、水晶は、音叉面内のＸ１軸に対して+１２０度及び-１２０度の角度に向いたさらに二つのｘ軸（Ｘ２及びＸ３と記す）を有する。また、 Ｙ１軸に対して+１２０度及び-１２０度の角度に向いておりＸ軸間に等分に離隔されたさらに二つのｙ軸（Ｙ２およびＹ３と記す）を有する。したがって、６０度毎にＸ軸面があり、またそれらの間にｙ軸面があり、３０度の間隔で+ｘ、+ｙ、-ｘ、... 結晶面がある。
【００１５】
音叉のボデーは、枠３１を有し、枠３１には中央開口３２が形成されている。この開口内に取り付け用のパッド３３が配置されており、且つ、開口両端の比較的薄いブリッジ３４によって枠に接続されている。各ブリッジ３４は平面図で見るとＶ字型をしており、その部分３４ａ、３４ｂは音叉の軸線に対して約６０度の角度で水晶のＹ２軸及びＹ３軸に平行な方向に延びる。
【００１６】
歯２８、２９は、水晶のｙ軸に平行な方向に枠３１から延び、枠３１から歯先端に向けて歯の横方向寸法が減少する。テーパ角は１ないし５度の程度であり、約１．４度ないし３．８度の範囲にあることが好ましい。このテーパは、歯を共振状態で駆動するとき、応力レベルが歯の長さにわたり比較的に一様であるように付けてある。この一様性は、テーパを付けた歯とテーパを付けない歯とに沿う応力分布を比較する図３に見ることができる。応力分布が一様なほど、歯に沿って一様な電化分布が発生し、歯のベースに向けて応力が集中する先行技術の装置よりも効率的な音叉を生じる。
【００１７】
歯の先端には大きな質量即ち重り３６，３７が形成され、短い直線状の首部分３８によって歯のテーパ状部分に接続される。これらの重りは、テーパ状の歯の効果を或る程度相殺する。即ち、重りは、共振振動数を増大させ、全運動量を減少させる。テーパ角、先端の質量の大きさと形状、及び、歯の長さと幅を調節することにより、音叉の性能を最適化することができる。
【００１８】
ブリッジと歯との間の音叉ボディー内に孤立スロット３９が形成される。これらのスロットは比較的に幅が狭いＶ字型をしており、部分３９ａ、３９ｂはブリッジに平行なＹ２軸、Ｙ３軸の方向に延びる。
【００１９】
この結晶性材料の結晶性に起因するファセット及び膜が上記スロットに跨って形成されることを防止するため、拡大切り取り部４１が、上記スロット両端のボデー内に形成される。これらの拡大切り取り部領域はスロットに対してある角度に形成されることが好ましく、それによってファセットおよび膜はスロット内に形成されないでこれらの領域中に形成され易くなる。これにより、より狭いスロットをエッチング形成することが可能となり、いろいろの部品内でいっそう小型化でき、また諸部品をウェーハ内に密集させて設計することが可能になる。このため、より良好な性能が得られるとともに、ウェーハ当たりの部品数をより大きく取ることができる。
【００２０】
音叉の駆動端及びピックアップ端で、それぞれの歯は股４２，４３といっしょになる。各股は、音叉の軸２７上で相手に対して約１２０度の角度で、また軸に対して６０度で交わる一対の内側面４６を有する。また、各股は一対の外側面４７を有し、外側面４７は上記内側面と歯との間に延び、上記軸に対して約３０度の角度で交わる。各面は水晶の一結晶面内にあって、各内側面はそれぞれＶ２面、Ｖ３面内にあり、外側面はそれぞれＸ２面およびＸ３面内にある。股４２，４３は孤立スロットと股の諸面との間で幅が枠側部４９の幅よりも大きく、これが音叉で発生される信号を増大させる。
【００２１】
本実施形態において、駆動歯２８及び重り３６はそれぞれピックアップ歯２９および重り３７よりも厚く且つ重く形成される。駆動側の股領域４２はピックアップ側の股領域４３よりも幅広く、かつ硬く形成される。股領域が相対的に硬くなるように、駆動歯の幅は股領域４５の幅よりも小さくしてある。駆動歯のテーパは、歯の長さにわたって可能な限り反りが一様になるように選択する。
【００２２】
ピックアップ歯２９および重り３７はピックアップ方向すなわち歯面に垂直な方向の反りによる電荷が最大となるように選択される。これは歯の長さにわたる反りを一様にすることにより得られ、それによって電荷の集まる範囲が拡がり、音叉の効率が高まる。上記のピックアップ歯および重りは駆動モード振動数とは独立に調整して適切なピックアップ振動数を与えることができ、ピックアップモード振動のノードはノード線（反りがゼロとなる位置）が音叉取り付け点に来るように調整する。ノード線位置をこのように調整すると、外部振動とピックアップモード振動とのカップリングを非常に低減できる。他の音叉の設計では設計上の柔軟性がないので、このような調整はすぐには達成できない。
【００２３】
動作を説明する。駆動歯が駆動されて、駆動モードの固有振動数で振動する。その際、両駆動歯はｘ軸方向に互いに異位相で振動する。駆動している音叉を歯の軸すなわち軸２７の回りに回転すると、コリオリ力が歯を音叉面から反らせる。この反りが振動のピックアップモードを励起する。コリオリ力は駆動歯の運動量に比例する。ピックアップモードで振動しているピックアップ歯は、その反りのために長さにわたって電荷を発生する。このように出力される電荷は加えた回転率に正比例し、たとえば米国特許第5,396,144号明細書に論じられているような公知方法で測定することができる。上記米国特許をここに参考文献として引用する。音叉の出力を最大にするには、振動する駆動歯の運動量を最大にし、かつピックアップ歯の電荷出力特性を最適化するこのにより行う。
【００２４】
本発明は多くの重要な特徴と優れた効果を有する。テーパ付き歯及び重りは、一定断面積をもつ直線状の歯をもつ従来の音叉では達成できない音叉性能の最適化を達成可能にする。歯にテーパを付けることにより歯の先端に向けてさらなる電荷が発生し、その結果、歯のベースに向けて応力が集中する従来の装置よりも効率の高い音叉が得られる。
【００２５】
このようにして、たとえば、電極上に発生される電荷および歯の運動量を維持し、もしくは増大させながら、歯先端の反りを低減することができる。これによって、音叉を印加電圧で駆動するとき、いっそう高い品質因子すなわちＱ値が生じ、それが駆動電流を増大させるので、駆動電圧を小さくすることができる。駆動電圧を小さくすると無用な片寄り偏位が低減する。
【００２６】
歯に沿って応力を拡散させたことおよび股形状を改良したことによって製造誤差の影響が低減し、股および歯の間の隅にファセットが形成されることが防止される。股の隅にかかる局所的応力レベルを低減することにより、より高い応力レベルで歯を作動させることが可能になり、その結果、さらに大きな電荷を発生させることができる。応力は歯の長さ全体にわたって増大し、それによって電極の外方部分がより十分に利用可能になるので、より大きな電荷の発生が可能となり、したがってより効率的な電極の設計が可能になる。
【００２７】
出力が増大することにより、音叉の大きさを小さくすることが可能になり、これは、音叉の性能を犠牲にすることなく、与えられた大きさのウェーハからより多数の音叉が製造できることを意味する。加えて、枠の側部を股より細くすることにより、信号がさらに増大する。
【００２８】
孤立スロット両端の拡大切り取り領域は、望ましくないブリッジ及び／または膜をスロット内に形成させずに、スロットをより細くすることを可能にする。
【００２９】
股領域の面を結晶軸方向に向けることにより、ファセットやブリッジが股領域内に形成されることを最小限にとどめる。音叉の軸に垂直な中央部が無いことにより、ファセットの形成が低減し、かつ幅が指定された音叉の股部分の長さをより大きくすることができ、その結果、股にかかるブリッジングの生じる可能性がさらに小さくなる。
【００３０】
ブリッジを結晶のｙ軸に整合することにより、股領域をより幅の広い、より硬い構造にすることができ、そのため、股領域内の残りのいかなるファセットの影響をも低減することができる。
【００３１】
本発明は特に二頭音叉について説明したが、単頭音叉にも適用できる。
【００３２】
上述の説明から明白なように、新規かつ改良された音叉が提供される。現在の好ましい実施形態のみを詳細に説明したが、本技術分野の当業者に明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなくいくつかの設計変更および改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が関連するタイプの従来の音叉の破断斜視図である。
【図２】本発明の音叉の一実施形態の上平面図ある。
【図３】テーパ状の歯およびテーパ状でない歯に沿って測った相対的応力レベルを表すグラフである。

Claims (13)

1. 慣性レートセンサ用音叉であって、ベース及び一対のテーパ状歯を備えた圧電材料のボディーを有し、
   上記一対の歯は、歯の長さ方向にわたって反りが一様となり且つ歯が共振状態で駆動されるときに応力レベルが歯の長さ方向にわたって一様となるように、ベースから延び且つベースから歯の先端に向けて横方向寸法が減少するように構成されていることを特徴とする音叉。
2. 更に、上記歯の先端に大きな横方向寸法の重りを有する請求項１記載の音叉。
3. 更に、上記テーパ状音叉と上記重りとの間にテーパ状でないネック部分を有する請求項２記載の音叉。
4. 上記ボディーは、水晶から作られる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の音叉。
5. 上記歯のベース位置に股部を有し、上記股部が、上記歯間の対称軸線に対して約１２０度の角度でいっしょになる一対の内側面と、上記内側面に対して約３０度の角度で上記内側面および上記歯の間に延びる一対の外側面とを含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の音叉。
6. 更に、上記ボディー内で上記股に隣接して形成された孤立スロットを有する請求項５記載の音叉。
7. 上記孤立スロットは、上記歯間の対称軸線上で約１２０度の角度でいっしょになる二つの部分を有する請求項６記載の音叉。
8. 上記ボディーが結晶性材料から作られ、拡大切り取り部が、上記スロットにまたがるファセットおよび膜が形成されることを防止するために上記ボディーのスロット両端に形成されている請求項６記載の音叉。
9. 上記ボディーが結晶性材料から作られ、軸対称に配置された上記一対の歯のベース位置に股部分を備え、上記股部分が、上記結晶性材料の結晶面内にあって上記軸上でいっしょになる一対の内側面と、上記結晶性材料の別の結晶面内にあって上記内側面および歯の間に延びる一対の外側面とを有することを特徴とする請求項１記載の音叉。
10. 上記結晶性材料が水晶であり、上記内側面が上記軸に対して約６０度の角度で延び、上記外側面が上記軸に対して約３０度の角度で延びる請求項９記載の音叉。
11. 更に、上記ベース内で上記歯の付近に形成された孤立スロットを有する請求項９又は１０記載の音叉。
12. 上記孤立スロットは、上記軸上で約１２０度の角度でいっしょになる二つの部分を有する請求項１１記載の音叉。
13. 拡大切り取り部が、上記スロットに跨るファセットおよび膜が形成されることを防止するために上記本体の上記スロットの両端に形成されている請求項１１記載の音叉。

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