JP4297252B2

JP4297252B2 - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JP4297252B2
Application number: JP2003135367A
Authority: JP
Inventors: 菊池　　尊行; 昌明桝田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP2004340658A

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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動型ジャイロスコープの振動状態におけるエネルギー損失を示す変数として、いわゆるＱ値が知られている。振動型ジャイロスコープの感度を向上させるためには、振動子のＱ値が大きいことが望まれる。しかし、振動型ジャイロスコープの応答帯域を上昇させるためには、検出振動のＱ値を小さくすることが望まれる。なぜなら、振動型ジャイロスコープにおいては、自励振回路を使用し、振動子の自己発振によって振動子の検出振動の周波数が最適となるようにしている。この際、検出振動のＱ値が大きいと、検出振動の周波数が最適となる周波数の範囲が非常に狭くなり、応答帯域が狭くなるからである。更に、振動子の駆動回路とのマッチングを良くし、振動型ジャイロスコープの動作を安定化させるためには、駆動振動のＱ値を小さくすることが望まれる。
【０００３】
このような課題を解決する方法として、本出願人は特許文献１を開示した。特許文献１においては、振動子の駆動振動片や検出振動片の上に、駆動電極や検出電極とは別に、金属膜からなるＱ値調整膜を設けることを開示した。これによって、駆動振動や検出振動のＱ値が低くなるように調整することができる。また、このＱ値調整膜を駆動電極や検出電極として機能させることも開示されている（００１８）。
【特許文献１】
特開平１１−２５７９６８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１記載の振動型ジャイロスコープにおいては、検出振動片上の電極膜の厚さを大きくすることによって、検出振動のＱ値を低くすることが可能である。しかし、この場合には、振動型ジャイロスコープとしての感度が低下する傾向があった。
【０００５】
本発明の課題は、検出振動モードのＱ値を低くし、駆動振動モードのＱ値と検出振動モードのＱ値との差を大きくしつつ、感度の低下を抑制して、振動感度（振動に対するノイズを感度で割ったもの）を抑制できるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、振動子、および前記振動子に駆動振動を励振し、前記振動子に加わる物理量に応じて前記振動子に励振される検出振動を検出するための電極系を備えている振動型ジャイロスコープであって、
振動子が所定面に沿って形成されており、基部、この基部から突出する支持部、この支持部から突出する駆動振動片、および基部から突出する検出振動片を備えており、駆動振動モードにおいて駆動振動片が支持部への付け根を中心として所定面に平行に屈曲振動し、検出振動モードにおいて検出振動片が基部への付け根を中心として所定面に平行に屈曲振動し、
電極系が、駆動振動片に取り付けられた駆動電極と前記検出振動片に取り付けられた検出電極とを含んでおり、駆動電極が厚さ１０００オングストローム以下の金属膜からなり、検出電極が厚さ１０００オングストローム以下の金属下地膜およびこの金属下地膜上の厚さ３００オングストローム以上の金属上層膜を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、振動子に設けられる電極の構成と振動子全体の駆動振動モードのＱ値、検出振動モードのＱ値、および振動感度が密接な関係にあることを見いだし、本発明に到達した。即ち、振動子をパッケージ内に真空封止した場合には、パッケージ内の空間では空気抵抗がない。この状態では振動子のＱ値は例えば数万に達する。この場合には、電極の膜厚、組成などが変化するだけで、Ｑ値が著しく変化し、また振動感度が大きく変動することが判明してきた。
【０００８】
具体的には、駆動電極を厚さ１０００オングストローム以下の金属膜とし、検出電極を厚さ１０００オングストローム以下の金属下地膜およびこの金属下地膜上の厚さ３００オングストローム以上の金属上層膜とすることを想到した。この結果、振動子全体の検出振動モードのＱ値を駆動振動モードのＱ値に比べて著しく小さくすると同時に、感度を高く相対的に維持することが可能であることを見いだし、本発明に到達した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る振動子１Ａを概略的に示す平面図である（駆動振動モードを示す）。図２は、振動子１Ａの検出振動モードの振動を示す平面図である。
【００１０】
本例の振動子１Ａは、基部２と、基部２から突出する一対の検出振動片１３Ａ、１３Ｂと、基部２から突出する一対の支持部５と、各支持部５の先端に設けられている各駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄとを備えている。
【００１１】
各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。溝内に駆動電極１９が形成されている。各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔１７が形成されている。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。溝内に検出電極２０が形成されている。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部１６Ａ、１６Ｂが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔１８が形成されている。
【００１２】
図１には駆動モードの振動を示す。駆動時には、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄが、それぞれ、支持部５への付け根２１を中心として矢印Ａのように屈曲振動する。この状態で振動子１Ａを、振動子１Ａに略垂直に延びる回転軸Ｚの周りに回転させる。すると、図２に示すように、支持部５が固定部２への付け根５ａを中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。各検出振動片１３Ａ，１３Ｂが、それぞれ、その反作用によって、固定部２への付け根を中心として、矢印Ｃのように屈曲振動する。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂにおいて発生した電気信号に基づいて、Ｚ軸を中心とする回転角速度を算出する。
【００１３】
ここで、振動子上の電極系とは、駆動電極１９、検出電極２０、およびこれらの電極を外部電極と連結するための配線を含む概念である。
【００１４】
図３は、図１、図２の振動子１Ａの検出モードにおける応力分布のシミュレーション結果を示す。図４は、図３の部分拡大図である。図３、図４において、青色の領域は歪みが小さく、色が薄くなるほど歪みが大きくなる。即ち、図１、図２において、基部２、駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄ、重量部１５Ａ〜１５Ｄ、１６Ａ、１６Ｂにおいては歪みが小さく、検出振動片１３Ａ、１３Ｂ、支持部５においては歪みが大きい。
【００１５】
こうした場合には、検出振動モードにおいて歪みが小さい領域内において、厚さ１０００オングストローム以下の金属膜からなる第一の部分を設ける。例えば図８（ａ）に模式的に示すように、振動片３０上に第一の部分２５を設けることができ、第一の部分２５は金属膜３１からなる。
【００１６】
また、歪みが大きい領域内の電極系において、厚さ１０００オングストローム以下の金属下地膜およびこの金属下地膜上の厚さ３００オングストローム以上の金属上層膜を備える第二の部分を設ける。例えば図８（ｂ）に模式的に示すように、振動片３０上に第二の部分２６を設けることができ、第二の部分２６は、厚さ１０００オングストローム以下の金属下地膜２７および金属下地膜２７上の厚さ３００オングストローム以上の金属上層膜２８を備える。これによって、検出振動のＱ値を低くすることができる。
【００１７】
歪みが大きい領域内においては、振動子の一対の主面上の電極系に第二の部分を設けることができ、また、一対の側面上の電極系に第二の部分を設けることができる。
【００１８】
駆動電極は、厚さ１０００オングストローム以下の金属膜からなる。この金属膜を構成する金属は限定されない。しかし振動子が圧電性単結晶からなる場合には、密着性の観点からは、この金属膜がアルミニウム、あるいは遷移金属からなることが好ましく、なかでもクロム、チタン、クロム合金、チタン合金からなることが特に好ましい。
【００１９】
駆動電極を構成する金属膜の厚さを１０００オングストローム以下とすることによって、駆動振動モードの振動のＱ値を大きくすると共に、感度を大きくできる。この観点からは、この金属膜の厚さを５００オングストローム以下とすることが更に好ましい。
【００２０】
検出電極は、厚さ１０００オングストローム以下の金属下地膜および厚さ３００オングストローム以上の金属上層膜を備える。
【００２１】
このように少なくとも二層を有する構造とし、かつ金属上層膜の厚さをある程度以上大きくすることによって、検出振動モードのＱ値を低くし、かつ振動感度を抑制することができる。金属下地膜の厚さは１０００オングストローム以下とすることが更に好ましく、５００オングストローム以下とすることが一層好ましい。金属下地膜を構成する金属は限定されない。しかし振動子が圧電性単結晶からなる場合には、密着性の観点からは、金属下地膜がアルミニウム、あるいは遷移金属からなることが好ましく、クロム、チタン、クロム合金、チタン合金からなることが特に好ましい。
【００２２】
金属上層膜の厚さは３００オングストローム以上とするが、本発明の観点からは、４００オングストローム以上とすることが更に好ましい。金属上層膜を構成する金属は特に限定されないが、貴金属またはアルミニウムからなることが導電性の観点からは特に好ましい。
【００２３】
本発明においては、電極系が駆動電極と検出電極とを含んでおり、振動子が、駆動電極の設けられた駆動振動片、検出電極の設けられた検出振動片、および駆動振動片と検出振動片との間に設けられた基部を備えている。
【００２４】
本発明においては、駆動電極が第一の部分からなり、検出電極が第二の部分からなる。これによって、検出振動モードのＱ値を一層低減し、振動感度の低下を抑制できる。
【００２５】
電極系を構成する各金属膜は、真空蒸着法、スパッタリング法、電解メッキ法、無電解メッキ法等の公知の方法によって製造できる。
【００２６】
本発明においては、振動子が所定面に対して平行に延びている。これは厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に、振動子が形成されている場合を含む。振動子の駆動振動と検出振動とが、それぞれ所定面に対して平行に生ずる。
【００２７】
振動子の材質は限定されないが、圧電単結晶が好ましく、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶が特に好ましい。
【００２８】
振動子の寸法は限定されないが、本発明の観点からは、振動子の幅を１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。また、同様の観点からは、振動子の重量を５ｍｇ以下とすることが好ましく、１ｍｇ以下とすることが一層好ましい。また、振動子の厚さを０．３ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
【００２９】
本発明は、振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して角速度を検出する振動型ジャイロスコープである。
【００３０】
【実施例】
以下、更に具体的な実験結果について述べる。図１、図２に示す振動子１Ａを製造した。具体的には、厚さ０．１ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、クロム膜（金属下地膜）と金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。
【００３１】
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１Ａの外形を形成した。メタルマスクを使用して、クロム膜（金属下地膜）２７上に金膜２８を電極膜として形成した。振動子１Ａの寸法は、縦３．８ｍｍ、横４．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍであり、重量は約０．８ｍｇであった。
【００３２】
次いで、再びレジスト法によって、振動子の一部領域において金膜２８をエッチングで除去し、金属下地膜２７を残留させた。この結果、金膜を除去しなかった領域では金属下地膜２７と金属上層膜２８との二層構造の電極２６が形成され、金膜を除去した領域では金属膜３１からなる部分２５が構成される。
【００３３】
ここで、第一の部分および第二の部分は、図５、６、７に示すようにして選択した。即ち、図５においては、領域Ｅ（主として駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄ）において、電極系を第一の部分によって構成し、領域Ｆ（主として検出振動片１３Ａ、１３Ｂ、重量部１５Ａ〜１５Ｄ、１６Ａ、１６Ｂ、基部２、支持部５）において、電極系を第二の部分によって構成した。また、図６においては、領域Ｅ（主として駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄ、支持部５）において、電極系を第一の部分によって構成し、領域Ｆ（主として検出振動片１３Ａ、１３Ｂ、重量部１５Ａ〜１５Ｄ、１６Ａ、１６Ｂ、基部２）において、電極系を第二の部分によって構成した。図７においては、領域Ｅ（主として駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄ、支持部５、検出振動片１３Ａ、１３Ｂ、重量部１５Ａ〜１５Ｄおよび１６Ａ、１６Ｂ）において、電極系を第一の部分によって構成し、領域Ｆ（主として基部２）において、電極系を第二の部分によって構成した。
【００３４】
各電極系において、領域Ｅにおける電極は、表１、表２に示すように、クロム膜、チタン膜、アルミニウム膜または金−クロム膜から形成した。領域Ｆにおける電極は、表１、表２に示すように、下地をクロム膜またはチタン膜とし、金属上層膜を金膜、アルミニウム膜とした。各膜の厚さは、表１、表２に示すように変更した。
【００３５】
次いで各例の振動子１Ａをパッケージに実装した。ただし、基板はアルミナセラミックスによって形成し、接点パッドは金によって形成し、枠体はＳＵＳによって形成した。ボンディングワイヤは、銅膜線を金によってメッキすることで製造した。銅膜線の厚さは約２０μｍであり、幅は約１００μｍであり、金メッキの厚さは約１μｍであった。振動子１Ａの基部２をボンディングワイヤに対して超音波ボンディングによって接合し、基板上に固定した。
【００３６】
得られた振動型ジャイロスコープについて、各モードの振動のＱ値を、インピーダンスアナライザを用いて測定した。また、各例の振動型ジャイロスコープについて、回転角速度に対する振動感度（感度に対するノイズの比率）を測定した。これらの結果を表１、表２に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
実施例１、２、比較例１においては、領域Ｅにおいて厚さ１００オングストロームのクロム膜を形成し、領域Ｆにおいて、厚さ１００オングストロームのクロム膜（金属下地膜）と厚さ５００オングストロームのアルミニウム膜（金属上層膜）とを積層している。この結果、領域Ｅが拡大すると駆動モードのＱ値と検出モードのＱ値との差が小さくなって、振動感度が上昇してしまう。
【００４０】
実施例３、４、比較例２においては、領域Ｅにおいて厚さ５００オングストロームのクロム膜を形成し、領域Ｆにおいて、厚さ５００オングストロームのクロム膜（金属下地膜）と厚さ５００オングストロームのアルミニウム膜（金属上層膜）とを積層している。この結果、領域Ｅが拡大すると駆動モードのＱ値と検出モードのＱ値との差が小さくなって、振動感度が上昇してしまう。また、実施例１〜３と比較すると、検出モードのＱ値は若干低い。
【００４１】
実施例５、６、比較例３においては、領域Ｅにおいて厚さ５００オングストロームのチタン膜を形成し、領域Ｆにおいて、厚さ５００オングストロームのチタン膜（金属下地膜）と厚さ５００オングストロームの金膜（金属上層膜）とを積層している。この結果、領域Ｅが拡大すると駆動モードのＱ値と検出モードのＱ値との差が小さくなって、振動感度が上昇してしまう。また、実施例４〜６と比較すると、検出モードのＱ値は若干低い。
【００４２】
実施例７、８、比較例４においては、領域Ｅにおいて厚さ５００オングストロームのアルミニウム膜を形成し、領域Ｆにおいて、厚さ５００オングストロームのクロム膜（金属下地膜）と厚さ５００オングストロームの金膜（金属上層膜）とを積層している。この結果、領域Ｅが拡大すると駆動モードのＱ値と検出モードのＱ値との差が小さくなって、振動感度が上昇してしまう。
【００４３】
比較例５においては、領域Ｅにおいて厚さ５００オングストロームのクロム膜と厚さ２０００オングストロームの金膜とを形成し、領域Ｆにおいて、厚さ５００オングストロームのクロム膜（金属下地膜）と厚さ２０００オングストロームの金膜（金属上層膜）とを積層している。この結果、駆動モードのＱ値と検出モードのＱ値との差がほとんどない。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、検出振動モードのＱ値を低くし、駆動振動モードのＱ値と検出振動モードのＱ値との差を大きくしつつ、振動感度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動子１Ａの駆動振動モードを示す平面図である。
【図２】振動子１Ａの検出振動モードを示す平面図である。
【図３】振動子１Ａの検出振動モードにおける各部分の変位を示す写真である。
【図４】図３の部分拡大写真である。
【図５】振動子１Ａにおいて、領域Ｅと領域Ｆとのパターン例を示す。
【図６】振動子１Ａにおいて、領域Ｅと領域Ｆとのパターン例を示す。
【図７】振動子１Ａにおいて、領域Ｅと領域Ｆとのパターン例を示す。
【図８】（ａ）は、第一の部分２５を例示し、（ｂ）は、第二の部分２６を例示する。
【符号の説明】
１Ａ振動子２基部１３Ａ、１３Ｂ検出振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ駆動振動片１９駆動電極２０検出電極２５第一の部分２６第二の部分
２７金属下地膜２８金属上層膜３１金属膜
Ａ駆動モードの振動Ｂ、Ｃ検出モードの振動

Claims

振動子、および前記振動子に駆動振動を励振し、前記振動子に加わる物理量に応じて前記振動子に励振される検出振動を検出するための電極系を備えている振動型ジャイロスコープであって、
前記振動子が所定面に沿って形成されており、基部、この基部から突出する支持部、この支持部から突出する駆動振動片、および前記基部から突出する検出振動片を備えており、駆動振動モードにおいて前記駆動振動片が前記支持部への付け根を中心として前記所定面に平行に屈曲振動し、検出振動モードにおいて前記検出振動片が前記基部への付け根を中心として前記所定面に平行に屈曲振動し、
前記電極系が、前記駆動振動片に取り付けられた駆動電極と前記検出振動片に取り付けられた検出電極とを含んでおり、前記駆動電極が厚さ１０００オングストローム以下の金属膜からなり、前記検出電極が厚さ１０００オングストローム以下の金属下地膜およびこの金属下地膜上の厚さ３００オングストローム以上の金属上層膜を備えることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
前記駆動電極を構成する前記金属膜がクロム、チタンまたはアルミニウムを含むことを特徴とする、請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。
前記金属下地膜がクロム、チタンまたはアルミニウムを含むことを特徴とする、請求項１または２記載の振動型ジャイロスコープ。
前記金属上層膜が貴金属またはアルミニウムからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。