JPWO2008010336A1 - 音叉型振動子およびそれを用いた振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

小型で、検出感度が良好な振動ジャイロとして使用することができる音叉型振動子と、それを用いた振動ジャイロを得る。音叉型振動子１０は、全体として音叉型の振動体１２を含む。振動体１２は、ミアンダ形状の脚部１４，１６と、これらの一端側に連結される基台部１８とを含む。基台部１８から脚部１４，１６の間に延びるように、支持部２０が形成される。脚部１４，１６には、それぞれ幅方向に分割された電極２８，３０および電極３２，３４が形成される。外側の電極２８，３４は、基台部１８に形成された接続電極３６に接続され、接続電極３６は、支持部２０に向かって延びるように形成される。また、内側の電極３０，３２は、基台部１８を介して、支持部２０に向かって延びるように形成される。振動体１２の他方主面には、共通電極が形成される。

Description

この発明は、音叉型振動子およびそれを用いた振動ジャイロに関し、特にたとえば、脚部の開閉振動を利用した音叉型振動子と、それを用いた振動ジャイロに関する。

図８は従来の音叉型の圧電振動子を一方側からみた斜視図であり、図９はそれを他方側からみた斜視図である。圧電振動子１は、音叉型の振動体２を含む。振動体２は、２枚の音叉型の圧電体基板を接合することによって形成される。これらの圧電体基板は、その厚み方向に向かって、互いに逆向きに分極される。振動体２の一方主面には、２つの駆動用電極３ａ，３ｂが形成される。駆動用電極３ａ，３ｂは、２つの脚部の幅方向において分割されるように形成され、両脚部に形成された駆動用電極３ａ同士および駆動用電極３ｂ同士が、振動体２の基部で連結される。また、振動体２の他方主面には、２つの検出用電極４ａ，４ｂが形成される。これらの検出用電極４ａ，４ｂは、それぞれ振動体２の２つの脚部に形成される。

この圧電振動子１を振動ジャイロとして使用する場合、２つの駆動用電極３ａ，３ｂ間に発振回路が接続される。この発振回路によって、振動体２の２つの脚部が開閉するように振動する。このとき、圧電振動子１は、その共振周波数で自励振駆動させられる。また、２つの検出用電極４ａ，４ｂは、差動回路に接続される。振動体２の脚部が開閉するように振動している状態で、振動体２の２つの脚部に平行な軸を中心として回転すると、コリオリ力により、脚部の振動方向が変わる。そのため、２つの検出用電極４ａ，４ｂからコリオリ力に対応した逆位相の信号が出力され、差動回路から検出電極４ａ，４ｂの出力信号の差が出力される。したがって、差動回路の信号を測定することにより、振動体１に加わった回転角速度を検出することができる（特許文献１参照）。

また、図１０（ａ）（ｂ）に示すような圧電振動子５もある。この圧電振動子５は、２つの脚部６ａ，６ｂを含む。これらの脚部６ａ，６ｂは、それぞれ２つの長尺状の圧電体基板を貼り合せた振動部によって形成される。そして、それぞれの振動部において、貼り合わされた圧電体基板は、互いに逆向きの厚み方向に分極されている。振動部の一方主面には、その幅方向に分割された２つの電極７ａ，７ｂおよび電極７ｃ，７ｄが形成される。そして、２つの脚部６ａ，６ｂは、互いに平行に配置され、その一方端側の他方主面に基台部８が形成されて、全体として音叉型に形成される。さらに、脚部６ａ，６ｂとなる振動部の他方主面側には、基台部８の側面から延在するようにして電極９が形成される。

この圧電振動子５を振動ジャイロとして使用する場合、隣接する脚部６ａ，６ｂの内側で隣接する電極７ｂ，７ｃと、外側の電極７ａ，７ｄとの間に発振回路が接続される。また、外側の電極７ａ，７ｄが差動回路に接続される。それにより、図８、図９に示す圧電振動子と同様に、発振回路により、脚部６ａ，６ｂが開閉するように振動する。そして、２つの脚部６ａ，６ｂに平行な軸を中心として回転したとき、コリオリ力によって脚部６ａ，６ｂの振動方向が変化し、差動回路からコリオリ力に対応した信号が出力される。したがって、差動回路からの信号を測定することにより、圧電振動子５に加わった回転角速度を検出することができる（特許文献２参照）。
特開平１０−１１１１３２号公報 特開２００４−６１４８６号公報

振動ジャイロを搭載するビデオカメラなどの小型化に伴い、振動ジャイロも小型化および低背化の要求が強くなってきている。ここで、上述のような音叉型振動子の共振周波数ωｒは、音叉型振動子の有効長さをＬ、厚みをＨ、密度をρ、ヤング率をＥ、慣性モーメントをＩとしたとき、次式で表される。

上式から、音叉型振動子が小型化すると、その共振周波数が高くなることがわかる。なお、音片型振動子の場合、上式の「１．８７５」が「３．９２７」となるので、同じ長さであれば、音片型振動子は音叉型振動子に比べて４．４倍共振周波数の高い振動子となる。逆に、音叉型振動子では、音片型振動子の１／２の長さで同じ共振周波数が得られることになる。一方、振動ジャイロに用いられる音叉型振動子の共振周波数が高くなると、ビデオカメラなどに加わる手ブレの周波数との差が大きくなり、回転角速度の検出感度が低下する。一般的な振動ジャイロの共振周波数は５０ｋＨｚ以下であり、たとえば、一般的な圧電セラミックバイモルフ振動子では、その厚みが０．４ｍｍ、長さが７ｍｍのもので、共振周波数は約３０ｋＨｚである。

振動ジャイロのような角速度センサが携帯機器に使用されるようになり、サイズが３ｍｍ以下の角速度センサも要求されるようになってきた。そのため、音片型の微小振動子を振動ジャイロとして使用する場合、振動子の幅も狭くなって、音片型振動子に屈曲振動を励振するための分割電極が形成できなくなるという問題がでてくる。そこで、上述のように、音叉型振動子を採用することにより、音片型振動子の半分程度の長さにすることが可能になるが、将来的には、圧電薄膜などを利用した超小型の振動子を作製することが要求される。しかしながら、このような超小型の振動子を作製する場合には、音叉型振動子を採用したとしても、共振周波数が高くなりすぎて、良好な感度を得ることができない。

それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で、検出感度が良好な振動ジャイロとして使用することができる音叉型振動子と、それを用いた振動ジャイロを提供することである。

この発明は、一方主面および他方主面を有する複数のミアンダ形状の脚部と、複数の脚部の長手方向の一端側に設けられ、複数の脚部のうち少なくとも２つの脚部が長手方向において同じ方向に延びるように接続される基台部と、複数の脚部の一方主面上に幅方向に分割されて形成される２つの電極とを含む、音叉型振動子である。
脚部に形成された電極に駆動信号を印加することにより、音叉型の振動体の脚部が開閉するような振動を励振させることができる。ここで、各脚部をミアンダ形状とすることにより、音叉型振動子全体を小型化しても、共振周波数を低く保つのに必要な脚部の長さを確保することができる。そのため、音叉型振動子全体を小型化しても、その共振周波数が高くなることを防止することができる。

このような音叉型振動子において、複数の脚部が、基台部に対して対称となるように形成されてもよい。
複数の脚部が基台部に対して対称となるように形成することにより、基台部の両側に脚部が延びる音叉型振動子を得ることができる。したがって、基台部の両側で脚部を振動させることにより、より大きい検出信号を得ることができる。

また、基台部から延びるようにして、複数の脚部の間に振動体を中空に支持するための長尺状の支持部が形成されてもよい。
支持部によって振動体を中空に支持することにより、開閉するように振動する脚部のノード点において振動体を支持することができる。

さらに、脚部は２つの圧電体基板を貼り合せて形成される振動体を含み、２つの圧電体基板の分極方向が互いに逆向きに配置された構成としてもよい。
また、脚部は、厚み方向に分極された圧電体基板と非圧電体基板とを貼り合せて形成されてもよい。
さらに、脚部は、非圧電体基板と、非圧電体基板の一方主面上に形成される厚み方向に分極された圧電膜とで構成されてもよい。
圧電振動子は、駆動信号によって脚部が開閉するように振動する構成のものであればよい。したがって、２つの圧電体基板を貼り合わせて脚部を形成してもよいし、圧電体基板と非圧電体基板とを貼り合せて脚部を形成してもよい。
さらに、圧電体を薄膜構造とすることにより、音叉型振動子の低背化を図ることができる。

また、この発明は、上述のいずれかに記載の音叉型振動子と、音叉型振動子の脚部に形成された電極に駆動信号を印加するための駆動手段と、音叉型振動子の脚部に形成された電極に発生する信号を検出するための検出手段とを含む、振動ジャイロである。
駆動手段から印加される駆動信号により、音叉型振動子の脚部が開閉するように振動し、回転角速度が加わることにより、脚部に形成された電極から出力されるコリオリ力に対応した検出信号が、検出手段によって検出される。したがって、検出手段で検出されるコリオリ力に対応した検出信号により、音叉型振動子に加わった回転角速度を知ることができる。

この発明によれば、音叉型振動子を小型化しても、その共振周波数が高くなることを防止することができる。そのため、このような音叉型振動子を用いることにより、小型で、良好な感度を有する振動ジャイロを得ることができる。さらに、音叉型振動子の圧電体を薄膜構造とすることにより、音叉型振動子を低背化することができる。したがって、このような音叉型振動子を用いることにより、低背化された振動ジャイロを得ることができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。

この発明の音叉型振動子の一例を示す平面図である。 図１の線Ａ−Ａにおける断面図である。 図１の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。 図１に示す音叉型振動子の脚部の断面図である。 図１に示す音叉型振動子を用いた振動ジャイロの一例を示す図解図である。 図１に示す音叉型振動子の振動状態を示す図解図である。 この発明の音叉型振動子の他の例を示す平面図である。 従来の音叉型振動子の一例について、一方側からみた斜視図である。 図８に示す従来の音叉型振動子を他方側からみた斜視図である。 （ａ）（ｂ）は、従来の音叉型振動子の他の例について、異なる方向からみた斜視図である。

符号の説明

１０ 音叉型振動子
１２ 振動体
１４，１６ 脚部
１８ 基台部
２０，８９ 支持部
２２ 基板
２４ ＳｉＯ₂膜
２６ 圧電膜
２８，３０，３２，３４ 電極
３６ 接続電極
３８ 共通電極
４０ 支持基板
４２ 接続部
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ 電極
５０ 振動ジャイロ
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
５２ 自励発振回路
５４，５６ バッファ回路
５８ 差動回路
６０ 同期検波回路
６２ 平滑回路
６４ ＤＣアンプ
７０ 音叉型振動子
７２ 振動体
７４，７６ 脚部
７８，８０，８２，８４ 電極

図１は、この発明の音叉型振動子の一例を示す平面図である。また、図２は、図１の線Ａ−Ａにおける断面図であり、図３は、図１の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。音叉型振動子１０は、振動体１２を含む。振動体１２は、たとえば同じ方向に延びる２つの脚部１４，１６を含み、その一端側が基台部１８で連結されて、全体として音叉型に形成される。２つの脚部１４，１６は、それぞれミアンダ形状に形成される。つまり、それぞれの脚部１４，１６は、複数の音片型の振動片が平行するように配置され、隣接する振動片の異なる側の端部が交互に接続されて蛇行するように形成される。

２つの脚部１４，１６の各振動片は、互いに対応する位置において外側端部が接続され、また互いに対応する位置において内側端部が接続される。したがって、２つの脚部１４，１６は、それらの間の中間線に対して互いに線対称となるように形成される。また、２つの脚部１４，１６の間において、基台部１８から脚部１４，１６と同じ方向に延びるように、支持部２０が形成される。支持部２０は、２つの脚部１４，１６が開閉するように振動したときのノード点となる位置まで延びるように形成される。

脚部１４の幅方向の断面図である図４に示すように、振動体１２は非圧電体材料で形成された基板２２を含む。基板２２の一方主面上に、ＳｉＯ₂膜２４が形成される。さらに、ＳｉＯ₂膜２４上に、ＡｌＮなどにより圧電膜２６が形成される。これらの基板２２、ＳｉＯ₂膜２４および圧電膜２６によって、振動体１２が構成される。また、脚部１４，１６の一方主面上、つまり圧電膜２６上には、幅方向に分割された電極２８，３０および電極３２，３４が形成される。並んで形成される２つの脚部１４，１６の外側の電極２８，３４は、基台部１８に形成された接続電極３６に接続される。そして、接続電極３６は、支持部２０の幅方向の中央部に延びるように引き出される。また、２つの脚部１４，１６の内側に形成された電極３０，３２は、基台部１８を介して、支持部２０の幅方向の両側に延びるように引き出される。さらに、振動体１２の他方主面上、つまり基板２２上には、共通電極３８が形成される。

この音叉型振動子１０は、図３に示すように、支持基板４０上に支持される。支持基板４０への音叉型振動子１０の支持は、柱状の接続部４２で支持部２０を支持基板４０に取り付けることにより行われる。この柱状の接続部４２の側面に電極４４ａ，４４ｂ，４４ｃが形成され、電極４４ａが一方の脚部１４の電極３０に接続され、電極４４ｂが接続電極３６に接続され、電極４４ｃが他方の脚部１６の電極３２に接続される。したがって、電極４４ｂには、２つの脚部１４，１６に形成された電極２８，３４が接続される。接続部４２に形成された電極４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、たとえば支持基板４０に形成された電極４６などに接続される。なお、電極４４ａ，４４ｂ，４４ｃが接続される電極４６は、それぞれ異なるものである。

音叉型振動子１０を作製するには、たとえば矩形板状のシリコン基板などの基板２２が準備される。この基板２２の所定の位置に、接続部４２となる柱状部が形成される。柱状部は、たとえば圧電体や誘電体などの絶縁性の材料で形成される。さらに、基板２２の柱状部が形成された主面とは反対側の主面に、熱酸化、スパッタリング法などの成膜方法で、ＳｉＯ₂膜２４が形成される。さらに、ＳｉＯ₂膜２４上に、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの成膜方法により、ＡｌＮによる圧電膜２６が形成される。そして、これらのＳｉＯ₂膜２４および圧電膜２６が、音叉型振動子の形状にパターニングされる。

さらに、圧電膜２６上および接続部４２となる柱状部の側面に、たとえばリフトオフ蒸着法などによって、Ａｕなどの電極材料を堆積させ、パターニングによる成形により電極２８，３０，３２，３４、接続電極３６および電極４４ａ，４４ｂ，４４ｃが形成される。また、基板２２の接続部４２となる柱状部が形成された面には、リフトオフ蒸着法などによって、Ａｕなどの電極材料で共通電極３８が形成される。なお、共通電極３８を形成するために、基板２２に予め薄い金属板を貼り付けておいてもよい。

最後に、基板２２が、音叉型振動子１０の形状に加工される。加工方法としては、たとえばサンドブラストなどの方法により、不要部分を除去することにより、音叉型振動子１０の形状にする方法などが考えられる。このようにして、音叉型振動子１０が得られる。

この音叉型振動子１０は、図５に示すように、たとえば振動ジャイロ５０として使用される。この場合、音叉型振動子１０の共通電極３８がグランドに接続される。また、脚部１４，１６に形成された内側の電極３０，３２は、抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続され、これらの抵抗Ｒ１，Ｒ２の中間部と接続電極３６との間に、駆動手段としての自励発振回路５２が接続される。自励発振回路５２は、ＡＧＣ回路、位相補正回路、駆動用増幅回路などを含む。そして、電極３０，３２から出力された信号が抵抗Ｒ１，Ｒ２で合成され、位相補正および増幅されて接続電極３６、すなわち２つの脚部１４，１６の電極２８，３４に印加される。

また、電極３０，３２は、それぞれバッファ回路５４，５６に接続される。バッファ回路５４，５６の出力信号は、差動回路５８に入力され、差動回路５８の出力信号は同期検波回路６０に入力される。同期検波回路６０には、自励発振回路５２が接続され、自励発振回路５２の信号に同期して、差動回路５８の出力信号が検波される。さらに、同期検波回路６０の出力信号は平滑回路６２に入力され、平滑回路６２の出力信号はＤＣアンプ６４に入力される。これらの差動回路５８、同期検波回路６０、平滑回路６２およびＤＣアンプ６４などによって、振動ジャイロ５０に回転角速度が印加されたときに生じる信号を検出するための検出手段が構成される。なお、音叉型振動子１０と各回路との接続は、接続部４２に形成された電極４４ａ，４４ｂ，４４ｃを介して行われる。

このような振動ジャイロ５０において、音叉型振動子１０の脚部１４，１６、電極３０，３２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、自励発振回路５２、電極２８，３４によって、自励振ループが形成される。それにより、図６に示すように、音叉型振動子１０には、脚部１４，１６の開放端側が離れたり近づいたりするようにして、開閉するような振動が励振される。このとき、音叉型振動子１０全体のノード点は、支持部２０の先端部、つまり接続部４２により支持基板４０に支持された部分である。

このように振動している状態で、２つの脚部１４，１６に平行な軸を中心として回転角速度が印加されると、２つの脚部１４，１６はコリオリ力によってその厚み方向に屈曲振動する。このとき、脚部１４，１６には、互いに逆向きのコリオリ力が働くため、脚部１４，１６は逆方向に屈曲振動する。そのため、電極３０，３２からは、無回転時における脚部１４，１６の振動による同位相の信号に加えて、コリオリ力による振動で発生する逆位相の信号が出力される。

電極３０，３２からの出力信号は、それぞれバッファ回路５４，５６で増幅され、差動回路５８で互いに逆位相の信号、すなわちコリオリ力による信号のみが取り出される。このコリオリ力による信号は、同期検波回路６０で同期検波され、平滑回路６２で平滑され、さらにＤＣアンプ６４で増幅される。したがって、ＤＣアンプ６４の出力信号を測定することにより、音叉型振動子１０に印加された回転角速度を検出することができる。

この音叉型振動子１０においては、脚部１４，１６がミアンダ形状に形成されているため、基台部１８から脚部１４，１６の先端部までの直線距離に比べて、振動子としての蛇行した脚部１４，１６の長さを長くすることができる。そのため、音叉型振動子１０を小型化しても、振動子としての脚部１４，１６の長さを長く保つことができ、音叉型振動子１０の共振周波数が高くならないようにすることができる。

このように、この音叉型振動子１０を使用すれば、小型化しても、共振周波数の低い振動ジャイロ５０を得ることができる。そのため、振動ジャイロ５０をビデオカメラなどに搭載したとき、手ブレの周波数との差が小さい共振周波数で音叉型振動子１０を励振することができる。そのため、手ブレなどに対して、良好な感度を有する小型の振動ジャイロ５０を得ることができる。また、圧電体として、圧電膜２６を用いることにより、音叉型振動子１０を薄型化して、音叉型振動子１０の低背化を図ることができる。さらに、圧電膜２６を採用することにより、薄膜プロセスを利用して音叉型振動子１０を作製できるため、音叉型振動子１０の小型化も容易である。

なお、圧電膜２６として形成されるＡｌＮは、ヤング率の温度係数が負の値をもつため、温度により検出信号の周波数が変化し、正確に回転角速度を検出できない可能性がある。そこで、ヤング率の温度係数が正の値をもつＳｉＯ₂膜２４と組み合わせることにより、検出信号の周波数の温度特性を安定なものにすることができる。

振動体１２としては、基板２２上に薄膜プロセスによってＳｉＯ₂膜２４および圧電膜２６を形成したものでなくてもよい。たとえば、振動体１２の形状の２枚の圧電体基板を積層し、これらの圧電体基板が互いに逆向きの厚み方向に分極されたものでもよい。また、振動体１２の形状の圧電体基板と非圧電体基板とを積層したものであってもよい。このような振動体１２を用いた音叉型振動子１０であっても、脚部１４，１６をミアンダ形状にすることにより、振動子としての長さを長く保つことができ、小型で共振周波数の低い音叉型振動子１０とすることができる。なお、音叉型振動子１０は、２つの脚部１４，１６を備えているが、脚部１４，１６の長手方向の同じ方向に３つ以上の脚部を備えていてもよく、このような構成にすることにより、回転角速度をより正確に検出することができる。また、音叉型振動子１０においては、２つの脚部１４，１６の間に支持部２０を備えているが、基台部１８を支持部としても構わない。

また、図７に示す音叉型振動子７０のように、複数の脚部が基台部１８に対して対称となるように、全体としてＨ字状とした振動体７２を用いてもよい。この振動体７２においては、基台部１８の両側に脚部１４，１６および脚部７４，７６が形成される。脚部１４，１６には、図１に示す音叉型振動子１０と同様に、電極２８，３０，３２，３４が形成される。同様に、脚部７４の一方主面には、幅方向に分割された電極７８，８０が形成され、脚部７６の一方主面には、幅方向に分割された電極８２，８４が形成される。

また、基台部１８の一方主面には、脚部１４，１６および脚部７４，７６を支持する支持部８９を除いて、その両側に共通電極８６，８８が形成される。一方の共通電極８６には、脚部１４の電極２８と脚部７４の電極７８とが接続される。また、他方の共通電極８８には、脚部１６の電極３４と脚部７６の電極８４とが接続される。また、脚部１４，１６の電極３０，３２と脚部７４，７６の電極８０，８２とは、支持部８９を介して、脚部１４，１６の間および脚部７４，７６の間に引き出される。なお、振動体７２の他方主面には、共通電極３８が形成されている。

このような音叉型振動子７０では、基台部１８に対して、２つの音叉型振動子が対称に配置されている。そのため、この音叉型振動子７０に回転角速度が印加されることにより、圧電膜２６に発生する電圧の変化量が大きくなり、この電圧変化を測定することにより、正確に回転角速度を検出することができる。

Claims (7)

1. 一方主面および他方主面を有する複数のミアンダ形状の脚部、
   複数の前記脚部の長手方向の一端側に設けられ、複数の前記脚部のうち少なくとも２つの脚部が長手方向において同じ方向に延びるように接続される基台部、および
   複数の前記脚部の一方主面上に幅方向に分割されて形成される２つの電極を含む、音叉型振動子。
2. 複数の前記脚部が、前記基台部に対して対称となるように形成された、請求項１に記載の音叉型振動子。
3. 前記基台部から延びるようにして、複数の前記脚部の間に前記振動体を中空に支持するための長尺状の支持部が形成された、請求項１または請求項２に記載の音叉型振動子。
4. 前記脚部は厚み方向に分極された２つの圧電体基板を貼り合せて形成される振動体を含み、２つの前記圧電体基板の分極方向が互いに逆向きに配置された、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音叉型振動子。
5. 前記脚部は、厚み方向に分極された圧電体基板と非圧電体基板とを貼り合せて形成された、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音叉型振動子。
6. 前記脚部は、非圧電体基板と、前記非圧電体基板の一方主面上に形成される厚み方向に分極された圧電膜とで構成された、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音叉型振動子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の音叉型振動子、
   前記音叉型振動子の脚部に形成された電極に駆動信号を印加するための駆動手段、および
   前記音叉型振動子の脚部に形成された電極に発生する信号を検出するための検出手段を含む、振動ジャイロ。

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