JP4305625B2 - 振動子および物理量測定用信号発生素子 - Google Patents
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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等に好適な振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、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ことを検討した。こうしたシステムにおいては、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】
こうした制御においては、高精度での角速度検出が必要不可欠である。しかし、高精度の角速度検出を行おうとすると、振動子の屈曲振動アームに不要な変位が生じやすく、不要な変位は、アームからの検出信号に直ちに誤差を生じさせる原因となる。即ち、振動型ジャイロスコープにおいては、振動子の駆動振動アームを励振し、この状態で振動子を回転ないし回動させ、振動子に励起された検出振動を、検出振動アームに取り付けた検出電極によって検出する。こうして得られた交流の出力信号を検出回路に供給し、駆動振動の影響をできるだけカットする処理を施し、最終的に回転角速度に対応する出力信号を得る。この出力信号は、通常、直流電圧値として出力される。このため、不要な振動や変位の影響が直ちに回転角速度の絶対値にノイズとして影響するし、このノイズを正確にカットすることが困難である。
【０００４】
本出願人は、特許文献１において、振動子の駆動振動アームや検出振動アームに、細長い貫通孔を形成することを開示した。このように細長い屈曲振動アームに、アームの長手方向に延びる貫通孔を設けることによって、アームの共振周波数を低減できるようにした。また、この貫通孔の内壁面に駆動電極や検出電極を設けることによって、前述した不要な変位や振動を低減することを試みた。
【特許文献１】
特開平１１−１２５５２８号公報
【０００５】
また、特許文献２、３には、屈曲振動アームの両面に細長い溝を設け、屈曲振動アームの横断面を略Ｈ字形状とすることが開示されている。また、特許文献４には、音叉型振動子の音叉および基部に溝を形成することが記載されている。
【特許文献２】
特開２００２−２６１５７５号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０４１４１号公報
【特許文献４】
特開２００２−３４０５５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１記載のように屈曲振動アームに貫通孔を設けた場合、屈曲振動アームが細長い角棒状である場合には問題が少ない。しかし、最近は例えば携帯電話のカメラモジュールに振動子を搭載することが検討されており、このために振動子を超小型化する必要がある。しかし、振動子を小型化すると、屈曲振動アームの長さを短くする必要があり、このために十分な感度を得ることが難しい。従って、屈曲振動アームの先端に重量部ないし幅の広い頭部を設け、これによって屈曲振動アームの振動エネルギーを増大させて検出感度を向上させることが考えられる。
【０００７】
しかし、屈曲振動アームに貫通孔を設け、かつ屈曲振動アームの先端に重量部を設けた場合には、かえってクリスタルインピーダンスが高くなり、検出感度が低下することが判明してきた。
【０００８】
また、屈曲振動アームに溝を設ける技術も知られているが、溝を例えばエッチング法によって設ける場合、溝の内壁面にはかなり大きなテーパー部ないし湾曲面が形成され、クリスタルインピーダンスが高くなり、検出感度が低下することが判明してきた。
【０００９】
本発明の課題は、所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの屈曲振動アーム、およびこの一端に設けられた基部を有する振動子において、振動子の感度を向上させ得るようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定面の法線の周りに回転させるための振動子であって、
所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの駆動振動アーム、
この駆動振動アームの一端に設けられた第一の基部、
駆動振動アームの他端に設けられた第一の重量部、
所定面の法線の周りに前記振動子を回転させたときに所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの検出振動アーム、
この検出振動アームの一端に設けられた第二の基部、および
検出振動アームの他端に設けられた第二の重量部を備えており、駆動振動アームおよび検出振動アームにおいて、互いに略平行な一方の主面および他方の主面にそれぞれ溝が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、屈曲振動アームの先端に重量部が設けられている上、屈曲振動アームの両主面に溝が形成されている。このような構成によれば、屈曲振動アームに貫通孔が設けられた場合に比べて、屈曲振動アームのクリスタルインピーダンスが低くなり、検出感度が向上することを見いだした。
【００１２】
この理由は以下のように考えられる。即ち、屈曲振動アームの先端に重量部を設けることは、振動エネルギーを大きくする上で効果的なはずである。しかし、この場合に屈曲振動アームに細長い貫通孔を設けると、重量部が一種の固定部分として働き、重量部は変位しにくく、この結果かえってクリスタルインピーダンスが上昇する。屈曲振動アームの先端に重量部が設けられている上、屈曲振動アームの両主面に溝が形成されている場合には、重量部の変位も大きくなり、全体としてクリスタルインピーダンスが低減する。
【００１３】
参考形態は、所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの屈曲振動アーム、およびこの屈曲振動アームの一端に設けられた基部を備えており、屈曲振動アームの互いに略平行な一方の主面および他方の主面にそれぞれ溝が形成されており、屈曲振動アームに、一方の主面と他方の主面との間で貫通する貫通孔が設けられており、この貫通孔が溝と連続していることを特徴とする、振動子に係るものである。
【００１４】
本発明者は、屈曲振動アームの両主面に溝を形成するだけでなく、これら両方の溝に連通する貫通孔をも形成することを想到した。即ち、屈曲振動アームの両主面に溝を形成することは公知であるが、通常溝の横断面形状がきれいな矩形にはならず、テーパ状または湾曲形状となるために、クリスタルインピーダンスを低減する効果に限界があった。この溝に連通する貫通孔を設けると、貫通孔の周辺において溝の横断面形状を矩形に近づけることが容易になる。この結果、屈曲振動アームのクリスタルインピーダンスを一層低減し、感度を向上させることができる。
【００１５】
他の参考形態は、所定面内で屈曲振動する第一の屈曲振動アーム、所定面内で屈曲振動する第二の屈曲振動アーム、および第一の屈曲振動アームと第二の屈曲振動アームとの間に設けられた基部を備えており、第一の屈曲振動アーム、第二の屈曲振動アームおよび基部の一方の主面に溝が連続的に形成されていることを特徴とする、振動子に係るものである。
また、更に他の参考形態は、所定面内で屈曲振動する第一の屈曲振動アーム、所定面内で屈曲振動する第二の屈曲振動アーム、および第一の屈曲振動アームと第二の屈曲振動アームとの間に設けられた基部を備えており、第一の屈曲振動アームと第二の屈曲振動アームとが略直線状に伸びており、第一の屈曲振動アームおよび基部の一方の主面に溝が連続的に形成されていることを特徴とする、振動子に係るものである。
【００１６】
前述したように、屈曲振動アームの両主面に溝を形成することは公知であるが、通常溝の横断面形状がきれいな矩形にはならず、テーパーまたは湾曲形状となるために、クリスタルインピーダンスを低減する効果に限界があった。特に、屈曲振動アーム上の溝の末端部分においてこの傾向が強かった。そこで、本発明者は、複数の屈曲振動アームの溝を、基部を通して連続させることを想到した。この結果、屈曲振動アーム上の溝の基部側の末端がなくなるので、溝の横断面形状を矩形に近づけることが容易になる。この結果、屈曲振動アームのクリスタルインピーダンスを一層低減し、感度を向上させることができる。
【００１７】
【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。最初に比較例の振動子を例示する。図１は、比較例に係る振動子１１を示す斜視図である。振動子１１においては、基部１の周縁部から一対の支持部２が突出している。各支持部２の先端にある基部２２から、各支持部２に直交する方向に屈曲振動アーム（駆動振動アーム）１４が延びており、各駆動振動部３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを構成している。また、基部１の周縁部から、一対の細長い周方向屈曲振動アーム１５が突出している。各アーム１５は、それぞれ、各検出振動部４Ａ、４Ｂを構成している。
【００１８】
各屈曲振動アーム１４、１５は、本例では、Ｘ−Ｙ平面（所定面）に沿って屈曲振動する。各屈曲振動アーム１４の両主面にはそれぞれ溝５が形成されており、これによって横断面がＨ字形状となっている。各屈曲振動アーム１５の両主面にはそれぞれ溝６が形成されており、これによって横断面がＨ字形状となっている。
【００１９】
このような振動子は比較的に高い感度を有している。しかし、振動子を小型化すると、各屈曲振動アーム１４、１５が短くなるので、感度が低下する。
【００２０】
図２は、比較例の振動子１１Ａを示す。本例においては、各駆動振動アーム１４の先端にそれぞれ重量部９が設けられており、各検出振動アーム１５の先端にそれぞれ重量部１２が設けられている。
【００２１】
図３は、第一の発明の実施形態に係る振動子２０Ａを示す斜視図である。振動子２０Ａにおいては、基部１の周縁部から一対の支持部２が突出している。各支持部２の先端にある基部２２から、各支持部２に直交する方向に屈曲振動アーム（駆動振動アーム）１４が延びている。各駆動振動アーム１４の先端には重量部９が設けられており、各重量部９内には貫通孔１０が形成されている。これによって各駆動振動部３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが構成されている。また、基部１の周縁部から、一対の細長い周方向屈曲振動アーム１５が突出している。各アーム１５の先端には重量部１２が設けられており，各重量部１２内には貫通孔１３が形成されている。これによって各検出振動部４Ａ、４Ｂが構成されている。なお、３３は、振動子２０Ａの一方の主面であり、３４は、振動子２０Ａの他方の主面である。
【００２２】
各駆動振動アーム１４の横断面形状を図４（ａ）に示す。駆動振動アーム１４の一方の主面３３側には細長い溝５が形成されており、他方の主面３４側には細長い溝５が形成されている。従って、駆動振動アーム１４の横断面は略Ｈ字形状となっている。言い換えると、駆動振動アーム１４は、細長い一対の幅広部１４ａ、１４ｂおよび両者を連結する肉薄部１４ｃを備えている。
【００２３】
駆動振動アーム１４を励振する方法は限定されない。例えば、駆動振動アーム１５の側面に電極７Ａ、７Ｂを設け、溝５の壁面に対向電極３０Ａ、３０Ｂを設け、両者の間に交流電圧信号を印加することができる。これによって、駆動振動アーム１４をＸ−Ｙ面に沿って屈曲振動させることができる。
【００２４】
各駆動振動アーム１４を矢印Ａのように振動させ、この状態で振動子２０Ａを軸Ｚの回りに回転させると、一対の支持部２が矢印Ｂのように、基部１への付け根を中心として屈曲振動する。これに対応し、各検出振動アーム１５が、矢印Ｃのように、基部１への付け根を中心として屈曲振動する。この屈曲振動に基づいて検出信号を発生させ、検出回路において処理する。
【００２５】
各検出振動アーム１５の横断面形状を図４（ｂ）に示す。検出振動アーム１５の一方の主面３３側には細長い溝６が形成されており、他方の主面３４側には細長い溝６が形成されている。従って、検出振動アーム１５の横断面は略Ｈ字形状となっている。言い換えると、検出振動アーム１５は、細長い一対の幅広部１５ａ、１５ｂおよび両者を連結する肉薄部１５ｃを備えている。
【００２６】
検出振動アーム１５から信号を取り出す方法は限定されない。例えば、検出振動アーム１５の側面に電極８Ａ、８Ｂを設け、溝６の壁面に対向電極３１Ａ、３１Ｂを設けることができる。検出振動アーム１５がＸ−Ｙ面に沿って屈曲振動すると、これに応じて電極８Ａ、８Ｂと対向電極３１Ａ、３１Ｂとの間に信号電圧が発生する。
【００２７】
図５は、第一の発明の実施形態に係る振動子２０Ｂを示す斜視図である。振動子２０Ｂの全体構成および動作は、図３の振動子２０Ａと同様であるので、説明を両略する。本例においては、駆動振動アーム１４において、溝５の末端が、駆動振動アームの基部２２への付け根に対して高さｔだけ離れている。ｔが小さすぎると、耐電圧が低下し、電圧印加時に振動子の破壊が発生し易くなる。振動子の耐電圧を向上させるという観点からは、ｔは、屈曲振動アームの幅Ｗの５％以上であることが好ましく、２５％以上であることが一層好ましい。
【００２８】
一方、ｔが大きすぎると、単位電流当たりの感度が低下する傾向がある。従って、屈曲振動アームの感度を向上させるという観点からは、ｔは、屈曲振動アームの幅Ｗの１５０％以下であることが好ましく、７０％以下であることが一層好ましい。また、このような構成は、検出振動アーム１５に適用することもできる。
【００２９】
好適な実施形態においては、溝の幅が前記基部に近づくのにつれて減少するテーパ部が設けられている。これによって、駆動振動アームが一層振動し易くなり、クリスタルインピーダンスが一層低下し、感度が向上する。図６、図７は、この実施形態に係る振動子２０Ｃ、２０Ｄを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｃにおいては、駆動振動アーム１４の両主面側の各溝２５にそれぞれテーパー部２５ａが設けられている。各テーパー部２５ａにおいては、溝幅ＷＧが、基部２２に近づくのにつれて減少する。
【００３０】
図７の振動子２０Ｄにおいては、駆動振動アーム１４の両主面側の各溝２５にそれぞれテーパー部２５ａが設けられている。各テーパー部２５ａにおいては、溝幅ＷＧが、基部２２に近づくのにつれて減少する。また、駆動振動アーム１４において、溝２５の末端が、駆動振動アームの基部２２への付け根に対して高さｔだけ離れている。
【００３１】
図８は、第一の発明の実施形態に係る振動子２０Ｅを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｅは、振動子２０Ｂ（図５）とほぼ同様のものである。ただし、幅広部１４ａ、１４ｂの厚みが一層小さくなっており、溝幅が大きい。
【００３２】
図９は、第一の発明の実施形態に係る振動子２０Ｆを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｆは、振動子２０Ａ（図３）とほぼ同様のものである。ただし、振動子２０Ｆにおいては、各支持部２の両主面３３、３４に細長い溝１８が形成されている。
【００３３】
図１０は、本発明に係る振動子２０Ｇを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｇは、振動子２０Ａ（図３）とほぼ同様のものである。ただし、振動子２０Ｇにおいては、各駆動振動アーム１４の主面３３と３４との間に貫通孔１９がそれぞれ形成されている。各貫通孔１９は、それぞれ各溝５と連通する。本例においては、貫通孔１９は、各溝５の基部２２側末端に連通する。
【００３４】
この貫通孔の利点について述べる。例えばエッチング法によって溝５、６を成形すると、図１８に模式的に示すように、溝は矩形にはならず、テーパー部２７、２８が形成される。例えば水晶振動子をウエットエッチングによって形成すると、＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向とでテーパー部２７、２８の傾斜角度や寸法が異なってくる。このようにテーパー部が大きくなると、屈曲振動アームの感度が低下する。しかし、貫通孔を溝に連続して設けると、貫通孔の近くではテーパー部の寸法が、例えば図１９に示すように小さくなる。
【００３５】
前述したテーパー部は、溝５、６の端部において特に大きくなる傾向がある。従って、貫通孔は、溝５、６の末端に設けることが特に好ましく、両端に設けることが最も好ましい。
【００３６】
図１１は、本発明に係る振動子２０Ｈを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｈは、図１０の振動子２０Ｇとほぼ同様のものである。ただし、振動子２０Ｈにおいては、重量部９、１２内に貫通孔が設けられていない。
【００３７】
図１２は、本発明に係る振動子２０Ｊを概略的に示す斜視図である。この振動子２０Ｊは、図１１に示す振動子２０Ｈと同様のものである。ただし、振動子２０Ｊにおいては、駆動振動アーム１４の溝５の両端に貫通孔１９、１９Ａが連通している。また，検出振動アーム１５の溝６の両端に貫通孔２１、２１Ａが連通している。
【００３８】
図１３は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｋを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｋは、前述の振動子２０Ａ（図３）と同様のものである。ただし、振動子２０Ｋにおいては、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４にそれぞれ溝２３が連続的に形成されている。即ち、溝２３は、第一の屈曲振動アーム１４Ａ内の溝２３ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ内の溝２３ｂおよび基部２２内の溝２３ｃを有しており、これらは連続している。また、第一の屈曲振動アーム１４Ｃ、第二の屈曲振動アーム１４Ｄ、基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４にそれぞれ溝２３が連続的に形成されている。即ち、溝２３は、第一の屈曲振動アーム１４Ｃ内の溝２３ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｄ内の溝２３ｂおよび基部２２内の溝２３ｃを有しており、これらは連続している。
【００３９】
前述したように、溝５、６の末端においては溝内壁面のテーパー部が大きくなり易く、クリスタルインピーダンスの増大の原因となっていた。これに対して、本例では、複数の屈曲振動アーム内の溝を連続させているので、各屈曲振動アーム内の基部２２側に、溝末端が存在しない。これによって、前述した溝内壁面のテーパー部の寸法を減らし、屈曲振動アームの感度を向上させることができる。
【００４０】
図１４は、参考形態に係る振動子２０Ｌを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｌは、振動子２０Ｋ（図１３）とほぼ同様のものである。ただし、各駆動振動アームの先端に重量部が設けられておらず、各検出振動アームの先端に重量部が設けられていない。
【００４１】
図１５は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｍを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｍは、振動子２０Ｋ（図１３）とほぼ同様のものである。ただし、各駆動振動アームの先端に重量部が設けられていない。各検出振動アーム１５の先端には重量部１２が設けられている。
【００４２】
図１６は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｎを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｎは、振動子２０Ｋ（図１３）とほぼ同様のものである。ただし、本例においては、溝２３Ａが、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃ内の溝２３ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄ内の溝２３ｂ、および基部２２内の貫通孔２３ｄを備えている。溝２３ａ、２３ｂおよび貫通孔２３ｄは連続的に形成されている。
【００４３】
図１７は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｐを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｐは、振動子２０Ｎ（図１６）とほぼ同様のものである。ただし、振動子２０Ｐにおいては、溝２８が、第一の屈曲振動アーム１５Ａ内の溝２８ａ、第二の屈曲振動アーム１５Ｂ内の溝２８ｂ、および基部１内の溝２８ｃを備えている。溝２８ａ、２８ｂおよび２８ｃは連続的に形成されている。
【００４４】
図２０は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｑを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｑにおいては、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄ、基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４に、それぞれ溝３５が連続的に形成されている。即ち、溝２５は、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃ内の溝３５ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄ内の溝３５ｂおよび基部２２内の溝３５ｃを有しており、これらは連続している。溝３５ａの基部２２側の端部には、基部２２へと向かって溝幅ＷＧが小さくなるようにテーパー部３５ｄが設けられている。溝３５ｂの基部２２側の端部には、基部２２へと向かって溝幅ＷＧが小さくなるようにテーパー部３５ｅが設けられている。
図２１は、参考形態に係る振動子２０Ｒを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｒにおいては、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄ、基部２２が設けられている。第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄとは、それぞれ略直線状に伸びている。アーム１４Ａ、１４Ｃおよび基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４に、それぞれ溝３６が連続的に形成されており、アーム１４Ｂ、１４Ｄおよび基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４に、それぞれ溝３６が連続的に形成されている。各溝３６は、アーム１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ内の溝３６ａ、および基部２２内の溝３６ｂを有しており、３６ａと３６ｂとは連続している。
【００４５】
本発明において測定されるべき物理量は、特に限定はされない。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検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては慣性センサーが好ましい。
【００４６】
好適な実施形態においては、振動子が圧電材料から構成されており、好ましくは圧電性単結晶によって形成されている。圧電性単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ほう酸リチウム、ランガサイトを例示できる。特に好ましくは、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体の１３０°Ｙ板である。
【００４７】
【実施例】
図１〜図１７に示す各振動子を製造し、感度と破壊時の印加電圧とを測定した。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。
【００４８】
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、各振動子の外形を形成した。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。
【００４９】
各振動子の主面３３、３４にそれぞれウエットエッチングによって溝や貫通孔のパターンを形成した。次いで、各振動子の基部１の中央に支持孔を形成し、この支持孔に金属ピンを通し、金属ピンに対して各振動子をシリコーン樹脂接着剤によって接着した。
【００５０】
そして、各振動子について、以下のようにして感度および破壊時の印加電圧を測定した。測定結果を表１、表２に示す。
（感度）
振動型ジャイロスコープを回転テーブルに取り付け、回転時について、ロックインアンプを用いて、検出電極から取り出した信号のうち、駆動信号と同期する成分のみの強度を測定し、測定によって得られた回転時の角速度当たりの信号から感度を算出した。
（破壊時の印加電圧）
振動型ジャイロスコープに駆動信号を印加して駆動させると同時にその駆動電流をオシロスコープでモニタする。印加電圧は１Ｖからかけ始め、徐々に印加電圧を増加させていく。印加電圧を増大させていくと、最後にはアームが折れて、オシロスコープに信号が現れなくなる。そのときの電圧を破壊時の印加電圧とした。
【００５１】
【表１】
【００５２】
【表２】
【００５３】
図１、図２の振動子においては、感度が低くなっている。図３〜図１７の振動子においては、感度が向上した。また、特に溝に平面的なテーパー部を設けることによって、破壊時の印加電圧が著しく向上した（図６、７）。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの屈曲振動アーム、およびこの一端に設けられた基部を有する振動子において、振動子の感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 比較例の振動子１１を概略的に示す斜視図であり、各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６が設けられている。
【図２】 比較例の振動子１１Ａを概略的に示す斜視図であり、各屈曲振動アーム１４、１５に重量部が設けられている。
【図３】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ａを示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６および重量部９、１２が設けられている。
【図４】 （ａ）は、駆動振動アームの横断面形状を示し、（ｂ）は、検出振動アームの横断面形状を示す。
【図５】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｂを示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６および重量部９、１２が設けられている。
【図６】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｃを示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝２５、６および重量部９、１２が設けられており、屈曲振動アーム１４の溝２５にテーパー部２５ａが形成されている。
【図７】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｄを示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６および重量部９、１２が設けられており、屈曲振動アーム１４の溝２５にテーパー部２５ａが形成されている。
【図８】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｅを概略的に示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６および重量部９、１２が設けられている。
【図９】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｆを概略的に示す斜視図である。支持部２にも溝１８が設けられている。
【図１０】 本発明に係る振動子２０Ｇを概略的に示す斜視図である。溝５に連通する貫通孔１９が設けられている。
【図１１】 本発明に係る振動子２０Ｈを概略的に示す斜視図である。溝５に連通する貫通孔１９が設けられている。
【図１２】 本発明に係る振動子２０Ｊを概略的に示す斜視図である。溝５に連通する貫通孔１９、１９Ａが設けられており、溝６に連通する貫通孔２１、２１Ａが設けられている。
【図１３】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｋを概略的に示す斜視図である。複数の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと、１４Ｂ、１４Ｄと、基部２２とに連続的に溝２３が設けられている。
【図１４】 参考形態に係る振動子２０Ｌを概略的に示す斜視図である。複数の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと、１４Ｂ、１４Ｄと、基部２２とに連続的に溝２３が設けられている。
【図１５】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｍを概略的に示す斜視図である。複数の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと、１４Ｂ、１４Ｄと、基部２２に連続的に溝２３が設けられており、屈曲振動アーム１５には重量部１２が設けられている。
【図１６】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｎを概略的に示す斜視図である。複数の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと、１４Ｂ、１４Ｄと、基部２２とに連続的に溝２３Ａが設けられており、基部２２内には貫通孔２３ｄが設けられている。
【図１７】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｐを概略的に示す斜視図である。更に複数の屈曲振動アーム１５Ａ、１５Ｂおよび基部１に連続的な溝２８が形成されている。
【図１８】 屈曲振動アームの横断面形状の一例を示す。
【図１９】 屈曲振動アームの横断面形状の一例を示しており、貫通孔の形成などによってテーパー部２７、２８が縮小している。
【図２０】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｑを概略的に示す斜視図である。
【図２１】 参考形態に係る振動子２０Ｒを概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 検出振動アーム１５の基部 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ ３Ｄ 駆動振動部 ４Ａ、４Ｂ 検出振動部 ５、２５ 駆動振動アーム上の溝 ６ 検出振動アーム上の溝 ９、１２ 重量部 １１Ａ、１１Ｂ 振動子 １４ 駆動振動アーム １５ 検出振動アーム １９，１９Ａ 溝５の末端の貫通孔 ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ、２０Ｊ、２０Ｋ、２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎ、２０Ｐ、２０Ｑ、２０Ｒ 振動子 ２１、２１Ａ 溝６の末端の貫通孔 ２２ 駆動振動アーム１４の基部 ２３、２３Ａ 複数の駆動振動アームにまたがる溝 ２５ａ 溝のテーパー部 ２８ 複数の検出振動アームにまたがる溝 ３３ 一方の主面 ３４ 他方の主面 Ｗ 屈曲振動アームの幅 ｔ 溝の末端と屈曲振動アームの付け根との間隔
【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等に好適な振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、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ことを検討した。こうしたシステムにおいては、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】
こうした制御においては、高精度での角速度検出が必要不可欠である。しかし、高精度の角速度検出を行おうとすると、振動子の屈曲振動アームに不要な変位が生じやすく、不要な変位は、アームからの検出信号に直ちに誤差を生じさせる原因となる。即ち、振動型ジャイロスコープにおいては、振動子の駆動振動アームを励振し、この状態で振動子を回転ないし回動させ、振動子に励起された検出振動を、検出振動アームに取り付けた検出電極によって検出する。こうして得られた交流の出力信号を検出回路に供給し、駆動振動の影響をできるだけカットする処理を施し、最終的に回転角速度に対応する出力信号を得る。この出力信号は、通常、直流電圧値として出力される。このため、不要な振動や変位の影響が直ちに回転角速度の絶対値にノイズとして影響するし、このノイズを正確にカットすることが困難である。
【０００４】
本出願人は、特許文献１において、振動子の駆動振動アームや検出振動アームに、細長い貫通孔を形成することを開示した。このように細長い屈曲振動アームに、アームの長手方向に延びる貫通孔を設けることによって、アームの共振周波数を低減できるようにした。また、この貫通孔の内壁面に駆動電極や検出電極を設けることによって、前述した不要な変位や振動を低減することを試みた。
【特許文献１】
特開平１１−１２５５２８号公報
【０００５】
また、特許文献２、３には、屈曲振動アームの両面に細長い溝を設け、屈曲振動アームの横断面を略Ｈ字形状とすることが開示されている。また、特許文献４には、音叉型振動子の音叉および基部に溝を形成することが記載されている。
【特許文献２】
特開２００２−２６１５７５号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０４１４１号公報
【特許文献４】
特開２００２−３４０５５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１記載のように屈曲振動アームに貫通孔を設けた場合、屈曲振動アームが細長い角棒状である場合には問題が少ない。しかし、最近は例えば携帯電話のカメラモジュールに振動子を搭載することが検討されており、このために振動子を超小型化する必要がある。しかし、振動子を小型化すると、屈曲振動アームの長さを短くする必要があり、このために十分な感度を得ることが難しい。従って、屈曲振動アームの先端に重量部ないし幅の広い頭部を設け、これによって屈曲振動アームの振動エネルギーを増大させて検出感度を向上させることが考えられる。
【０００７】
しかし、屈曲振動アームに貫通孔を設け、かつ屈曲振動アームの先端に重量部を設けた場合には、かえってクリスタルインピーダンスが高くなり、検出感度が低下することが判明してきた。
【０００８】
また、屈曲振動アームに溝を設ける技術も知られているが、溝を例えばエッチング法によって設ける場合、溝の内壁面にはかなり大きなテーパー部ないし湾曲面が形成され、クリスタルインピーダンスが高くなり、検出感度が低下することが判明してきた。
【０００９】
本発明の課題は、所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの屈曲振動アーム、およびこの一端に設けられた基部を有する振動子において、振動子の感度を向上させ得るようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定面の法線の周りに回転させるための振動子であって、
所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの駆動振動アーム、
この駆動振動アームの一端に設けられた第一の基部、
駆動振動アームの他端に設けられた第一の重量部、
所定面の法線の周りに前記振動子を回転させたときに所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの検出振動アーム、
この検出振動アームの一端に設けられた第二の基部、および
検出振動アームの他端に設けられた第二の重量部を備えており、駆動振動アームおよび検出振動アームにおいて、互いに略平行な一方の主面および他方の主面にそれぞれ溝が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、屈曲振動アームの先端に重量部が設けられている上、屈曲振動アームの両主面に溝が形成されている。このような構成によれば、屈曲振動アームに貫通孔が設けられた場合に比べて、屈曲振動アームのクリスタルインピーダンスが低くなり、検出感度が向上することを見いだした。
【００１２】
この理由は以下のように考えられる。即ち、屈曲振動アームの先端に重量部を設けることは、振動エネルギーを大きくする上で効果的なはずである。しかし、この場合に屈曲振動アームに細長い貫通孔を設けると、重量部が一種の固定部分として働き、重量部は変位しにくく、この結果かえってクリスタルインピーダンスが上昇する。屈曲振動アームの先端に重量部が設けられている上、屈曲振動アームの両主面に溝が形成されている場合には、重量部の変位も大きくなり、全体としてクリスタルインピーダンスが低減する。
【００１３】
参考形態は、所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの屈曲振動アーム、およびこの屈曲振動アームの一端に設けられた基部を備えており、屈曲振動アームの互いに略平行な一方の主面および他方の主面にそれぞれ溝が形成されており、屈曲振動アームに、一方の主面と他方の主面との間で貫通する貫通孔が設けられており、この貫通孔が溝と連続していることを特徴とする、振動子に係るものである。
【００１４】
本発明者は、屈曲振動アームの両主面に溝を形成するだけでなく、これら両方の溝に連通する貫通孔をも形成することを想到した。即ち、屈曲振動アームの両主面に溝を形成することは公知であるが、通常溝の横断面形状がきれいな矩形にはならず、テーパ状または湾曲形状となるために、クリスタルインピーダンスを低減する効果に限界があった。この溝に連通する貫通孔を設けると、貫通孔の周辺において溝の横断面形状を矩形に近づけることが容易になる。この結果、屈曲振動アームのクリスタルインピーダンスを一層低減し、感度を向上させることができる。
【００１５】
他の参考形態は、所定面内で屈曲振動する第一の屈曲振動アーム、所定面内で屈曲振動する第二の屈曲振動アーム、および第一の屈曲振動アームと第二の屈曲振動アームとの間に設けられた基部を備えており、第一の屈曲振動アーム、第二の屈曲振動アームおよび基部の一方の主面に溝が連続的に形成されていることを特徴とする、振動子に係るものである。
また、更に他の参考形態は、所定面内で屈曲振動する第一の屈曲振動アーム、所定面内で屈曲振動する第二の屈曲振動アーム、および第一の屈曲振動アームと第二の屈曲振動アームとの間に設けられた基部を備えており、第一の屈曲振動アームと第二の屈曲振動アームとが略直線状に伸びており、第一の屈曲振動アームおよび基部の一方の主面に溝が連続的に形成されていることを特徴とする、振動子に係るものである。
【００１６】
前述したように、屈曲振動アームの両主面に溝を形成することは公知であるが、通常溝の横断面形状がきれいな矩形にはならず、テーパーまたは湾曲形状となるために、クリスタルインピーダンスを低減する効果に限界があった。特に、屈曲振動アーム上の溝の末端部分においてこの傾向が強かった。そこで、本発明者は、複数の屈曲振動アームの溝を、基部を通して連続させることを想到した。この結果、屈曲振動アーム上の溝の基部側の末端がなくなるので、溝の横断面形状を矩形に近づけることが容易になる。この結果、屈曲振動アームのクリスタルインピーダンスを一層低減し、感度を向上させることができる。
【００１７】
【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。最初に比較例の振動子を例示する。図１は、比較例に係る振動子１１を示す斜視図である。振動子１１においては、基部１の周縁部から一対の支持部２が突出している。各支持部２の先端にある基部２２から、各支持部２に直交する方向に屈曲振動アーム（駆動振動アーム）１４が延びており、各駆動振動部３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを構成している。また、基部１の周縁部から、一対の細長い周方向屈曲振動アーム１５が突出している。各アーム１５は、それぞれ、各検出振動部４Ａ、４Ｂを構成している。
【００１８】
各屈曲振動アーム１４、１５は、本例では、Ｘ−Ｙ平面（所定面）に沿って屈曲振動する。各屈曲振動アーム１４の両主面にはそれぞれ溝５が形成されており、これによって横断面がＨ字形状となっている。各屈曲振動アーム１５の両主面にはそれぞれ溝６が形成されており、これによって横断面がＨ字形状となっている。
【００１９】
このような振動子は比較的に高い感度を有している。しかし、振動子を小型化すると、各屈曲振動アーム１４、１５が短くなるので、感度が低下する。
【００２０】
図２は、比較例の振動子１１Ａを示す。本例においては、各駆動振動アーム１４の先端にそれぞれ重量部９が設けられており、各検出振動アーム１５の先端にそれぞれ重量部１２が設けられている。
【００２１】
図３は、第一の発明の実施形態に係る振動子２０Ａを示す斜視図である。振動子２０Ａにおいては、基部１の周縁部から一対の支持部２が突出している。各支持部２の先端にある基部２２から、各支持部２に直交する方向に屈曲振動アーム（駆動振動アーム）１４が延びている。各駆動振動アーム１４の先端には重量部９が設けられており、各重量部９内には貫通孔１０が形成されている。これによって各駆動振動部３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが構成されている。また、基部１の周縁部から、一対の細長い周方向屈曲振動アーム１５が突出している。各アーム１５の先端には重量部１２が設けられており，各重量部１２内には貫通孔１３が形成されている。これによって各検出振動部４Ａ、４Ｂが構成されている。なお、３３は、振動子２０Ａの一方の主面であり、３４は、振動子２０Ａの他方の主面である。
【００２２】
各駆動振動アーム１４の横断面形状を図４（ａ）に示す。駆動振動アーム１４の一方の主面３３側には細長い溝５が形成されており、他方の主面３４側には細長い溝５が形成されている。従って、駆動振動アーム１４の横断面は略Ｈ字形状となっている。言い換えると、駆動振動アーム１４は、細長い一対の幅広部１４ａ、１４ｂおよび両者を連結する肉薄部１４ｃを備えている。
【００２３】
駆動振動アーム１４を励振する方法は限定されない。例えば、駆動振動アーム１５の側面に電極７Ａ、７Ｂを設け、溝５の壁面に対向電極３０Ａ、３０Ｂを設け、両者の間に交流電圧信号を印加することができる。これによって、駆動振動アーム１４をＸ−Ｙ面に沿って屈曲振動させることができる。
【００２４】
各駆動振動アーム１４を矢印Ａのように振動させ、この状態で振動子２０Ａを軸Ｚの回りに回転させると、一対の支持部２が矢印Ｂのように、基部１への付け根を中心として屈曲振動する。これに対応し、各検出振動アーム１５が、矢印Ｃのように、基部１への付け根を中心として屈曲振動する。この屈曲振動に基づいて検出信号を発生させ、検出回路において処理する。
【００２５】
各検出振動アーム１５の横断面形状を図４（ｂ）に示す。検出振動アーム１５の一方の主面３３側には細長い溝６が形成されており、他方の主面３４側には細長い溝６が形成されている。従って、検出振動アーム１５の横断面は略Ｈ字形状となっている。言い換えると、検出振動アーム１５は、細長い一対の幅広部１５ａ、１５ｂおよび両者を連結する肉薄部１５ｃを備えている。
【００２６】
検出振動アーム１５から信号を取り出す方法は限定されない。例えば、検出振動アーム１５の側面に電極８Ａ、８Ｂを設け、溝６の壁面に対向電極３１Ａ、３１Ｂを設けることができる。検出振動アーム１５がＸ−Ｙ面に沿って屈曲振動すると、これに応じて電極８Ａ、８Ｂと対向電極３１Ａ、３１Ｂとの間に信号電圧が発生する。
【００２７】
図５は、第一の発明の実施形態に係る振動子２０Ｂを示す斜視図である。振動子２０Ｂの全体構成および動作は、図３の振動子２０Ａと同様であるので、説明を両略する。本例においては、駆動振動アーム１４において、溝５の末端が、駆動振動アームの基部２２への付け根に対して高さｔだけ離れている。ｔが小さすぎると、耐電圧が低下し、電圧印加時に振動子の破壊が発生し易くなる。振動子の耐電圧を向上させるという観点からは、ｔは、屈曲振動アームの幅Ｗの５％以上であることが好ましく、２５％以上であることが一層好ましい。
【００２８】
一方、ｔが大きすぎると、単位電流当たりの感度が低下する傾向がある。従って、屈曲振動アームの感度を向上させるという観点からは、ｔは、屈曲振動アームの幅Ｗの１５０％以下であることが好ましく、７０％以下であることが一層好ましい。また、このような構成は、検出振動アーム１５に適用することもできる。
【００２９】
好適な実施形態においては、溝の幅が前記基部に近づくのにつれて減少するテーパ部が設けられている。これによって、駆動振動アームが一層振動し易くなり、クリスタルインピーダンスが一層低下し、感度が向上する。図６、図７は、この実施形態に係る振動子２０Ｃ、２０Ｄを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｃにおいては、駆動振動アーム１４の両主面側の各溝２５にそれぞれテーパー部２５ａが設けられている。各テーパー部２５ａにおいては、溝幅ＷＧが、基部２２に近づくのにつれて減少する。
【００３０】
図７の振動子２０Ｄにおいては、駆動振動アーム１４の両主面側の各溝２５にそれぞれテーパー部２５ａが設けられている。各テーパー部２５ａにおいては、溝幅ＷＧが、基部２２に近づくのにつれて減少する。また、駆動振動アーム１４において、溝２５の末端が、駆動振動アームの基部２２への付け根に対して高さｔだけ離れている。
【００３１】
図８は、第一の発明の実施形態に係る振動子２０Ｅを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｅは、振動子２０Ｂ（図５）とほぼ同様のものである。ただし、幅広部１４ａ、１４ｂの厚みが一層小さくなっており、溝幅が大きい。
【００３２】
図９は、第一の発明の実施形態に係る振動子２０Ｆを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｆは、振動子２０Ａ（図３）とほぼ同様のものである。ただし、振動子２０Ｆにおいては、各支持部２の両主面３３、３４に細長い溝１８が形成されている。
【００３３】
図１０は、本発明に係る振動子２０Ｇを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｇは、振動子２０Ａ（図３）とほぼ同様のものである。ただし、振動子２０Ｇにおいては、各駆動振動アーム１４の主面３３と３４との間に貫通孔１９がそれぞれ形成されている。各貫通孔１９は、それぞれ各溝５と連通する。本例においては、貫通孔１９は、各溝５の基部２２側末端に連通する。
【００３４】
この貫通孔の利点について述べる。例えばエッチング法によって溝５、６を成形すると、図１８に模式的に示すように、溝は矩形にはならず、テーパー部２７、２８が形成される。例えば水晶振動子をウエットエッチングによって形成すると、＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向とでテーパー部２７、２８の傾斜角度や寸法が異なってくる。このようにテーパー部が大きくなると、屈曲振動アームの感度が低下する。しかし、貫通孔を溝に連続して設けると、貫通孔の近くではテーパー部の寸法が、例えば図１９に示すように小さくなる。
【００３５】
前述したテーパー部は、溝５、６の端部において特に大きくなる傾向がある。従って、貫通孔は、溝５、６の末端に設けることが特に好ましく、両端に設けることが最も好ましい。
【００３６】
図１１は、本発明に係る振動子２０Ｈを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｈは、図１０の振動子２０Ｇとほぼ同様のものである。ただし、振動子２０Ｈにおいては、重量部９、１２内に貫通孔が設けられていない。
【００３７】
図１２は、本発明に係る振動子２０Ｊを概略的に示す斜視図である。この振動子２０Ｊは、図１１に示す振動子２０Ｈと同様のものである。ただし、振動子２０Ｊにおいては、駆動振動アーム１４の溝５の両端に貫通孔１９、１９Ａが連通している。また，検出振動アーム１５の溝６の両端に貫通孔２１、２１Ａが連通している。
【００３８】
図１３は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｋを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｋは、前述の振動子２０Ａ（図３）と同様のものである。ただし、振動子２０Ｋにおいては、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４にそれぞれ溝２３が連続的に形成されている。即ち、溝２３は、第一の屈曲振動アーム１４Ａ内の溝２３ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ内の溝２３ｂおよび基部２２内の溝２３ｃを有しており、これらは連続している。また、第一の屈曲振動アーム１４Ｃ、第二の屈曲振動アーム１４Ｄ、基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４にそれぞれ溝２３が連続的に形成されている。即ち、溝２３は、第一の屈曲振動アーム１４Ｃ内の溝２３ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｄ内の溝２３ｂおよび基部２２内の溝２３ｃを有しており、これらは連続している。
【００３９】
前述したように、溝５、６の末端においては溝内壁面のテーパー部が大きくなり易く、クリスタルインピーダンスの増大の原因となっていた。これに対して、本例では、複数の屈曲振動アーム内の溝を連続させているので、各屈曲振動アーム内の基部２２側に、溝末端が存在しない。これによって、前述した溝内壁面のテーパー部の寸法を減らし、屈曲振動アームの感度を向上させることができる。
【００４０】
図１４は、参考形態に係る振動子２０Ｌを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｌは、振動子２０Ｋ（図１３）とほぼ同様のものである。ただし、各駆動振動アームの先端に重量部が設けられておらず、各検出振動アームの先端に重量部が設けられていない。
【００４１】
図１５は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｍを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｍは、振動子２０Ｋ（図１３）とほぼ同様のものである。ただし、各駆動振動アームの先端に重量部が設けられていない。各検出振動アーム１５の先端には重量部１２が設けられている。
【００４２】
図１６は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｎを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｎは、振動子２０Ｋ（図１３）とほぼ同様のものである。ただし、本例においては、溝２３Ａが、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃ内の溝２３ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄ内の溝２３ｂ、および基部２２内の貫通孔２３ｄを備えている。溝２３ａ、２３ｂおよび貫通孔２３ｄは連続的に形成されている。
【００４３】
図１７は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｐを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｐは、振動子２０Ｎ（図１６）とほぼ同様のものである。ただし、振動子２０Ｐにおいては、溝２８が、第一の屈曲振動アーム１５Ａ内の溝２８ａ、第二の屈曲振動アーム１５Ｂ内の溝２８ｂ、および基部１内の溝２８ｃを備えている。溝２８ａ、２８ｂおよび２８ｃは連続的に形成されている。
【００４４】
図２０は、本発明の実施形態に係る振動子２０Ｑを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｑにおいては、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄ、基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４に、それぞれ溝３５が連続的に形成されている。即ち、溝２５は、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃ内の溝３５ａ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄ内の溝３５ｂおよび基部２２内の溝３５ｃを有しており、これらは連続している。溝３５ａの基部２２側の端部には、基部２２へと向かって溝幅ＷＧが小さくなるようにテーパー部３５ｄが設けられている。溝３５ｂの基部２２側の端部には、基部２２へと向かって溝幅ＷＧが小さくなるようにテーパー部３５ｅが設けられている。
図２１は、参考形態に係る振動子２０Ｒを概略的に示す斜視図である。振動子２０Ｒにおいては、第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃ、第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄ、基部２２が設けられている。第一の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと第二の屈曲振動アーム１４Ｂ、１４Ｄとは、それぞれ略直線状に伸びている。アーム１４Ａ、１４Ｃおよび基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４に、それぞれ溝３６が連続的に形成されており、アーム１４Ｂ、１４Ｄおよび基部２２の一方の主面３３および他方の主面３４に、それぞれ溝３６が連続的に形成されている。各溝３６は、アーム１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ内の溝３６ａ、および基部２２内の溝３６ｂを有しており、３６ａと３６ｂとは連続している。
【００４５】
本発明において測定されるべき物理量は、特に限定はされない。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検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては慣性センサーが好ましい。
【００４６】
好適な実施形態においては、振動子が圧電材料から構成されており、好ましくは圧電性単結晶によって形成されている。圧電性単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ほう酸リチウム、ランガサイトを例示できる。特に好ましくは、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体の１３０°Ｙ板である。
【００４７】
【実施例】
図１〜図１７に示す各振動子を製造し、感度と破壊時の印加電圧とを測定した。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。
【００４８】
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、各振動子の外形を形成した。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。
【００４９】
各振動子の主面３３、３４にそれぞれウエットエッチングによって溝や貫通孔のパターンを形成した。次いで、各振動子の基部１の中央に支持孔を形成し、この支持孔に金属ピンを通し、金属ピンに対して各振動子をシリコーン樹脂接着剤によって接着した。
【００５０】
そして、各振動子について、以下のようにして感度および破壊時の印加電圧を測定した。測定結果を表１、表２に示す。
（感度）
振動型ジャイロスコープを回転テーブルに取り付け、回転時について、ロックインアンプを用いて、検出電極から取り出した信号のうち、駆動信号と同期する成分のみの強度を測定し、測定によって得られた回転時の角速度当たりの信号から感度を算出した。
（破壊時の印加電圧）
振動型ジャイロスコープに駆動信号を印加して駆動させると同時にその駆動電流をオシロスコープでモニタする。印加電圧は１Ｖからかけ始め、徐々に印加電圧を増加させていく。印加電圧を増大させていくと、最後にはアームが折れて、オシロスコープに信号が現れなくなる。そのときの電圧を破壊時の印加電圧とした。
【００５１】
【表１】
【表２】
図１、図２の振動子においては、感度が低くなっている。図３〜図１７の振動子においては、感度が向上した。また、特に溝に平面的なテーパー部を設けることによって、破壊時の印加電圧が著しく向上した（図６、７）。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの屈曲振動アーム、およびこの一端に設けられた基部を有する振動子において、振動子の感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 比較例の振動子１１を概略的に示す斜視図であり、各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６が設けられている。
【図２】 比較例の振動子１１Ａを概略的に示す斜視図であり、各屈曲振動アーム１４、１５に重量部が設けられている。
【図３】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ａを示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６および重量部９、１２が設けられている。
【図４】 （ａ）は、駆動振動アームの横断面形状を示し、（ｂ）は、検出振動アームの横断面形状を示す。
【図５】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｂを示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６および重量部９、１２が設けられている。
【図６】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｃを示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝２５、６および重量部９、１２が設けられており、屈曲振動アーム１４の溝２５にテーパー部２５ａが形成されている。
【図７】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｄを示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６および重量部９、１２が設けられており、屈曲振動アーム１４の溝２５にテーパー部２５ａが形成されている。
【図８】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｅを概略的に示す斜視図である。各屈曲振動アーム１４、１５に溝５、６および重量部９、１２が設けられている。
【図９】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｆを概略的に示す斜視図である。支持部２にも溝１８が設けられている。
【図１０】 本発明に係る振動子２０Ｇを概略的に示す斜視図である。溝５に連通する貫通孔１９が設けられている。
【図１１】 本発明に係る振動子２０Ｈを概略的に示す斜視図である。溝５に連通する貫通孔１９が設けられている。
【図１２】 本発明に係る振動子２０Ｊを概略的に示す斜視図である。溝５に連通する貫通孔１９、１９Ａが設けられており、溝６に連通する貫通孔２１、２１Ａが設けられている。
【図１３】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｋを概略的に示す斜視図である。複数の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと、１４Ｂ、１４Ｄと、基部２２とに連続的に溝２３が設けられている。
【図１４】 参考形態に係る振動子２０Ｌを概略的に示す斜視図である。複数の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと、１４Ｂ、１４Ｄと、基部２２とに連続的に溝２３が設けられている。
【図１５】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｍを概略的に示す斜視図である。複数の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと、１４Ｂ、１４Ｄと、基部２２に連続的に溝２３が設けられており、屈曲振動アーム１５には重量部１２が設けられている。
【図１６】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｎを概略的に示す斜視図である。複数の屈曲振動アーム１４Ａ、１４Ｃと、１４Ｂ、１４Ｄと、基部２２とに連続的に溝２３Ａが設けられており、基部２２内には貫通孔２３ｄが設けられている。
【図１７】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｐを概略的に示す斜視図である。更に複数の屈曲振動アーム１５Ａ、１５Ｂおよび基部１に連続的な溝２８が形成されている。
【図１８】 屈曲振動アームの横断面形状の一例を示す。
【図１９】 屈曲振動アームの横断面形状の一例を示しており、貫通孔の形成などによってテーパー部２７、２８が縮小している。
【図２０】 本発明の実施形態に係る振動子２０Ｑを概略的に示す斜視図である。
【図２１】 参考形態に係る振動子２０Ｒを概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 検出振動アーム１５の基部 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ ３Ｄ 駆動振動部 ４Ａ、４Ｂ 検出振動部 ５、２５ 駆動振動アーム上の溝 ６ 検出振動アーム上の溝 ９、１２ 重量部 １１Ａ、１１Ｂ 振動子 １４ 駆動振動アーム １５ 検出振動アーム １９，１９Ａ 溝５の末端の貫通孔 ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ、２０Ｊ、２０Ｋ、２０Ｌ、２０Ｍ、２０Ｎ、２０Ｐ、２０Ｑ、２０Ｒ 振動子 ２１、２１Ａ 溝６の末端の貫通孔 ２２ 駆動振動アーム１４の基部 ２３、２３Ａ 複数の駆動振動アームにまたがる溝 ２５ａ 溝のテーパー部 ２８ 複数の検出振動アームにまたがる溝 ３３ 一方の主面 ３４ 他方の主面 Ｗ 屈曲振動アームの幅 ｔ 溝の末端と屈曲振動アームの付け根との間隔
Claims (7)
- 所定面の法線の周りに回転させるための振動子であって、
前記所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの駆動振動アーム、
この駆動振動アームの一端に設けられた第一の基部、
前記駆動振動アームの他端に設けられた第一の重量部、
前記所定面の法線の周りに前記振動子を回転させたときに前記所定面内で屈曲振動する少なくとも一つの検出振動アーム、
この検出振動アームの一端に設けられた第二の基部、および
前記検出振動アームの他端に設けられた第二の重量部を備えており、前記駆動振動アームおよび前記検出振動アームにおいて、互いに略平行な一方の主面および他方の主面にそれぞれ溝が形成されていることを特徴とする、振動子。 - 前記溝の幅が前記基部に近づくのにつれて減少するテーパー部が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
- 前記溝の末端と前記駆動振動アームの前記一端との間隔ｔが、前記駆動振動アームの幅Ｗの５％以上であることを特徴とする、請求項１または２記載の振動子。
- 前記駆動振動アームに、前記一方の主面と前記他方の主面との間で貫通する貫通孔が設けられており、この貫通孔が前記溝と連続してい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子。
- 前記貫通孔が前記溝の一端に連続していることを特徴とする、請求項４記載の振動子。
- 複数の前記貫通孔が設けられており、一方の貫通孔が前記溝の一端に連続し、他方の貫通孔が前記溝の他端に連続することを特徴とする、請求項５記載の振動子。
- 振動子を用いて物理量を検出する物理量測定用信号発生素子であって、
請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の振動子、この振動子に駆動振動を励振する駆動手段、および前記物理量に応じて前記振動子に励振される検出振動に基づく出力信号を得る検出手段を備えていることを特徴とする、物理量測定用信号発生素子。
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