JPWO2008010337A1 - 音片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、低背化が可能であり、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片型振動子と、それを用いた振動ジャイロを得る。基板１２上に形成された音片型振動子１０は、振動体１４を含む。振動体１４は、全体としてミアンダ形状に形成され、中央部の振動片が第１の検出部６２として用いられる。振動体１４の一方側において、検出電極１６，１８が形成され、引出し電極２６，２８に接続される。第１の検出部６２の一方主面上に、検出電極２０と共通電極２２とが形成される。振動体１４の他方主面には、共通電極２２が形成され、スルーホール２４を介して一方主面上の共通電極２２に接続される。検出電極２０および共通電極２２は、引出し電極３０，３２に接続される。

Description

この発明は、音片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、屈曲振動を利用した音片型振動子と、それを用いた振動ジャイロに関する。

図１２は、従来の音片型振動子の一例を示す斜視図である。音片型振動子１は、短冊状の２つの圧電体基板２ａ，２ｂを含む。これらの圧電体基板２ａ，２ｂは、電極３を介して積層される。これらの圧電体基板２ａ，２ｂは、図１２の矢印で示すように、互いに逆向きに分極される。一方の圧電体基板２ａの主面上には、２つの分割電極４，４が形成される。これらの分割電極４，４は、圧電体基板２ａの幅方向の中央部で分割され、圧電体基板２ａの長手方向に延びるように形成される。また、他方の圧電体基板２ｂの主面上には、その全面に共通電極５が形成される。この音片型振動子１は、分割電極４，４と共通電極５との間に発振回路を接続することにより、圧電体基板２ａ，２ｂの主面に直交する向きに屈曲振動するが、その屈曲振動のノード部に支持部材６，６が形成される。

この音片型振動子１は、たとえば振動ジャイロとして使用される。この場合、分割電極４，４と共通電極５との間に発振回路が接続される。また、分割電極４，４は差動回路に接続され、分割電極４，４の出力信号の差が検出される。発振回路の駆動信号によって、音片型振動子１は、圧電体基板２ａ，２ｂの主面に直交する向きに屈曲振動する。ここで、音片型振動子１は、その共振周波数で振動する自励振駆動により屈曲振動させられる。この状態で、音片型振動子１の中心軸を中心として回転角速度が印加されると、無回転時における屈曲振動の向きと直交する向きにコリオリ力が働く。そのため、音片型振動子１の屈曲振動の向きが変わり、２つの分割電極４，４からコリオリ力に対応した逆位相の信号が出力され、差動回路からこれらの信号の差が出力される。したがって、差動回路の出力信号を測定することにより、音片型振動子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）。
特開平７−３３２９８８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、上述のような音片型振動子の共振周波数ωｒは、音片型振動子の長さを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、音片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。一方、音片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。

このように、音片型振動子を小型化すれば、回転角速度の検出感度が低下し、回転角速度の検出感度を上げるために共振周波数を低くしようとすれば、音片型共振子が大型化してしまう。また、圧電体を積層した音片型振動子では、圧電体の厚みが必須となり、振動ジャイロの低背化にも限界がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で、低背化が可能であり、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片型振動子と、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ミアンダ形状の振動体と、振動体の一方主面の長手方向一端側から中央部に延びるように形成され振動体の幅方向に分割された２つの駆動電極と、振動体の一方主面の長手方向他端側から中央部に延びるように形成される検出電極と、振動体の他方主面に形成される金属膜と、振動体が屈曲振動したときのノード点となる部分に形成される振動体を中空に支持するための支持部とを含む、音片型振動子である。
駆動電極に駆動信号を印加することにより、振動体に屈曲振動を励振させることができる。ここで、振動体をミアンダ形状とすることにより、音片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振動子の長さを確保することができる。そのため、音片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。
なお、駆動電極は振動体の長手方向の一端側から中央部に延びるように形成され、検出電極は振動体の長手方向の他端側から中央部に延びるように形成されているが、ここでいう一端側および他端側とは、振動体の中央部に対する長手方向の一端側および他端側という向きを示すものであって、振動体の端部という意味ではない。したがって、振動体の両側における端部から中央部まで、全体的に駆動電極や検出電極が形成されていることを示しているわけではない。

このような音片型振動子において、振動体の長手方向の略中央部において振動体の長手方向と交差する向きに延びる長尺状の第１の検出部が形成され、第１の検出部の一方主面に検出電極が形成された構成としてもよい。
振動体の長手方向の略中央部において振動体の長手方向と交差する向きに延びる長尺状の第１の検出部を形成することにより、屈曲振動する音片型振動子に回転角速度が加わったときに、第１の検出部にコリオリ力が働く。それにより、コリオリ力に対応して第１の検出部が変形し、第１の検出部にコリオリ力に対応する信号が発生して、検出電極からその信号が出力される。

また、第１の検出部の端部に連結するように形成され、かつ振動体の幅方向の両側において振動体の長手方向に延びるように形成される第２の検出部を含む構成としてもよい。
第１の検出部の端部に第２の検出部を形成することにより、コリオリ力による第１の検出部の変形を大きくすることができ、検出電極からコリオリ力に対応するより大きい信号を出力させることができる。

振動体は２つの圧電体基板を貼り合せて形成され、２つの圧電体基板が振動体の一方主面側と他方主面側とで互いに厚み方向逆向きに分極された構成としてもよい。
また、振動体は、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、振動体は、圧電膜を含む薄膜により形成されてもよい。
振動体は、駆動信号によって屈曲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振動体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振動体を形成してもよい。
さらに、振動体を薄膜構造とすることにより、音片型振動子を低背化することができる。

また、この発明は、上述のいずれかに記載の音片型振動子と、音片型振動子の駆動電極間に駆動信号を印加するための駆動手段と、検出電極と金属膜との間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、音片型振動子が屈曲振動し、回転角速度が加わることにより、検出電極からコリオリ力に対応した検出信号が出力され、この検出信号が、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、音片型振動子に印加された回転角速度を知ることができる。

この発明によれば、音片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、このような音片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、音片型振動子の振動体を薄膜構造とすることにより、音片型振動子を低背化することができる。したがって、このような音片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。

この発明の音片型振動子の一例を示す平面図である。 図１に示す音片型振動子に用いられる振動体を示す斜視図である。 図１に示す音片型振動子の一点鎖線で示す支持部における断面図である。 図１に示す音片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。 振動体の屈曲振動の様子を示す図解図である。 第２の検出部を有する振動体の振動状態を示す図解図である。 この発明の音片型振動子の他の例を示す平面図である。 図７に示す音片型振動子を用いた振動ジャイロにおける振動体の振動状態を示す図解図である。 振動体を構成する振動片の連結箇所の一例を示す斜視図である。 振動体を構成する振動片の連結箇所の他の例を示す斜視図である。 振動体を構成する振動片の連結箇所のさらに他の例を示す斜視図である。 従来の音片型振動子の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 音片型振動子
１２ 基板
１４ 振動体
１６，１８ 駆動電極
２０ 検出電極
２２ 共通電極
３４ 空洞部
３６ ＳｉＯ₂膜
３８ 圧電膜
５０ 振動ジャイロ
５２ 発振回路
５４ 差動回路
５６ 同期検波回路
５８ 平滑回路
６０ ＤＣアンプ
６２ 第１の検出部
６４ 第２の検出部

図１は、この発明の音片型振動子の一例を示す平面図である。音片型振動子１０は、たとえば矩形板状の基板１２上において中空に支持される。音片型振動子１０は、振動体１４を含む。振動体１４は、たとえばＳｉＯ₂膜と圧電膜とで薄膜構造となるように形成される。振動体１４は、図２に示すように、全体としてミアンダ形状となるように形成される。つまり、複数の長方形状の振動片が平行するように配置され、中央部の振動片とそれに隣接する振動片とが中央部で連結される。また、連結された３つの振動片の両側においては、それぞれの振動片が交互に異なる端部で接続され、蛇行したミアンダ形状となるように形成される。中央部の振動片の両側においては、互いに逆の端部において隣接する振動片が接続され、中央部の振動片の中心点に対して回転対称となるように形成される。

振動体１４には屈曲振動が励振されるが、その屈曲振動のノード点となる２箇所において、振動体１４が基板１２に支持される。振動体１４の一方の支持部１４ａから中央部の振動片に隣接する振動片まで延びるように、２つの駆動電極１６，１８が形成される。これらの駆動電極１６，１８は、各振動片の幅方向に分割されて、互いに平行するようにしてミアンダ形状に形成される。また、中央部の振動片の一方主面上には、その幅方向の両側、つまり振動体１４全体の長手方向の両側に分割されるようにして、検出電極２０と共通電極２２とが形成される。検出電極２０は、駆動電極１６，１８と反対側の振動片側にミアンダ形状に延びて形成され、他方の支持部１４ｂまで形成される。なお、支持部１４ａ，１４ｂは、金属あるいは樹脂等により柱状に形成される。

振動体１４の他方主面には、金属膜によって共通電極２２が形成される。そして、振動体１４の中央部の振動片にはスルーホール２４が形成され、このスルーホール２４を介して、振動体１４の他方主面の共通電極２２と中央部の支持片の一方主面に形成された共通電極２２とが接続される。

振動体１４の一方の支持部１４ａにおいて、２つの駆動電極１６，１８は、基板１２上に引き出された引出し電極２６，２８に接続される。引出し電極２６，２８は、それぞれ振動体１４の幅方向の両側に配置され、振動体１４の長手方向の一端側まで引き出される。また、振動体１４の他方の支持部１４ｂにおいて、検出電極２０は、基板１２上に引き出された引出し電極３０に接続される。また、振動体１４の他方の支持部１４ｂにおいて、振動体１４の他方主面に形成された共通電極２２が、基板１２上に引き出された引出し電極３２に接続される。引出し電極３０，３２は、それぞれ振動体１４の幅方向の両側に配置され、振動体１４の長手方向の他端側まで引き出される。

図３は、図１の一点鎖線で示すように、振動体１４の他方の支持部１４ｂにおける音片型振動子１０の基板１２の長手方向の断面を示す図解図である。基板１２上には、たとえば台形の断面形状を有する空洞部３４を介して、音片型振動子１０が形成される。そのため、基板１２上に、共通電極２２が形成される。共通電極２２は、基板１２から斜上方に上昇し、さらに基板１２の主面とほぼ平行に延びるように形成される。この共通電極２２の基板１２に接触する部分は、引出し電極３２に連続するように形成される。

共通電極２２上には、ＳｉＯ₂膜３６が形成される。ＳｉＯ₂膜３６は、空洞部３４を覆うようにして、共通電極２２の上昇部分から基板１２の主面とほぼ平行な部分を覆うように形成され、さらに共通電極２２の反対側において基板１２に向かって斜めに下降するように形成される。さらに、ＳｉＯ₂膜３６上には、たとえばＡｌＮなどによって、圧電膜３８が形成される。圧電膜３８は、基板１２の主面とほぼ平行な部分において、共通電極２２と対向する位置に形成される。また、圧電膜３８上には、検出電極２０が形成される。検出電極２０は、圧電膜３８上からＳｉＯ₂膜３６上にわたって形成され、共通電極２２が引き出された側の反対側において基板１２上に引き出される。そして、基板１２上に引き出された検出電極２０は、引出し電極３０に連続するように形成される。図３において、共通電極２２、ＳｉＯ₂膜３６、圧電膜３８および検出電極２０が重なり合っている領域が振動体１４を構成する。

また、振動体１４の一方の支持部１４ａにおいては、圧電膜３８上に、２つの駆動電極１６，１８が間隔を隔てて形成され、ＳｉＯ₂膜３６の両側に引き出される。ＳｉＯ₂膜３６の両側に引き出された駆動電極１６，１８は、引出し電極２６，２８に連続するように形成される。振動体１４の２つの支持部１４ａ，１４ｂ以外の部分においては、基板１２から浮いた状態で、共通電極２２、ＳｉＯ₂膜３６、圧電膜３８、および駆動電極１６，１８または検出電極２０が積層された状態で形成される。したがって、これらの部分においては、振動体１４や各電極は、基板１２と接触していない。

音片型振動子１０を作製するために、基板１２が準備される。この基板１２上に、ＺｎＯ薄膜が形成される。ＺｎＯ薄膜は、支持部において音片型振動子１０を中空に支持し、支持部以外の部分においては基板１２から離れて音片型振動子１０を形成するために、後工程において除去されるいわゆる犠牲層となる。ＺｎＯ薄膜は、たとえば基板１２上に、エピタキシャル成長法などによって形成される。このＺｎＯ薄膜は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、音片型振動子１０の形状にパターニングされる。

ＺｎＯ薄膜上には、たとえばＲＦマグネトロンスパッタ法、めっき法、蒸着法などの薄膜技術により、Ａｕなどの金属膜を形成することによって共通電極２２が形成される。このとき、基板１２上に、共通電極２２から引き出されるようにして、引出し電極３２も形成される。さらに、共通電極２２上には、薄膜技術により、ＳｉＯ₂膜３６および圧電膜３８が順次形成される。これらの共通電極２２、ＳｉＯ₂膜３６および圧電膜３８も、ＲＩＥなどによって所定の形状にパターニングされる。さらに、ＳｉＯ₂膜３６および圧電膜３８の中央部に、上下の共通電極２２を接続するためのスルーホール２４が形成される。そして、圧電膜３８上に、薄膜技術により、Ａｕなどによって金属膜が形成される。この金属膜が所定の形状にパターニングされて、駆動電極１６，１８、検出電極２０および振動体１４の一方主面上の共通電極２２が形成される。このとき、スルーホール２４にも金属膜が形成され、上下の共通電極２２が接続される。さらに、金属膜を形成する際に、基板１２上に、引出し電極２６，２８，３０も形成される。最後に、エッチングなどによって、ＺｎＯ膜が除去されることにより、音片型振動子１０が作製される。

この音片型振動子１０は、図４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、駆動電極１６，１８が接続された引出し電極２６，２８に、駆動手段としての発振回路５２が接続される。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、振動体１４、駆動電極１６，１８、引出し電極２６，２８、発振回路５２によって、自励発振ループが形成される。

さらに、検出電極２０および共通電極２２が接続された引出し電極３０，３２は、差動増幅回路５４に接続される。差動増幅回路５４の出力信号は、同期検波回路５６に入力される。同期検波回路５６には、発振回路５２が接続され、発振回路５２の信号に同期して差動増幅回路５４の出力信号が検波される。さらに、同期検波回路５６には、平滑回路５８およびＤＣアンプ６０が順次接続される。これらの差動増幅回路５４、同期検波回路５６、平滑回路５８およびＤＣアンプ６０などによって、回転角速度に対応した信号を検出するための検出手段が構成される。なお、回転角速度に対応した信号は、検出電極２０と共通電極２２とが形成された中央部の振動片に発生するため、この中央部の振動片が回転角速度を検出するための第１の検出部６２となる。

この振動ジャイロ５０では、発振回路５２を含む自励発振ループにより、音片型振動子１０に屈曲振動が励振される。この屈曲振動は、図５に示すように、振動体１４の２つのノード点を中心として、振動体１４の主面に平行な面内において励振される屈曲振動である。このとき、第１の検出部６２の位置は、振動体１４の屈曲振動によって変位するものの、その形状は変形しない。

この状態で、振動体１４の主面に直交する向きの軸を中心として回転角速度が印加されると、振動体１４の主面に平行な面内で、屈曲振動の向きと直交する向きにコリオリ力が働く。このコリオリ力により、第１の検出部６２には、振動体１４の長手方向に屈曲するような変形が発生する。第１の検出部６２の変形量は、コリオリ力に対応しているため、検出電極２０と共通電極２２との間には、コリオリ力に対応した信号が発生する。したがって、差動回路５４からは、コリオリ力に対応した信号が出力される。

このコリオリ力による信号は、同期検波回路５６で同期検波され、平滑回路５８で平滑され、さらにＤＣアンプ６０で増幅される。したがって、ＤＣアンプ６０の出力信号を測定することにより、音片型振動子１０に印加された回転角速度を検出することができる。

この音片型振動子１０においては、振動体１４の中央部にある第１の検出部６２の両側部分がミアンダ形状に形成されているため、振動体１４全体としての直線的な長さに比べて、振動子としての蛇行した長さを長くすることができる。そのため、音片型振動子１０を小型化しても、振動子としての長さを長く保つことができ、音片型振動子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、この音片型振動子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片型振動子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、ＳｉＯ₂膜３６および圧電膜３８で構成された薄膜構造を採用することにより、音片型振動子１０の低背化を図ることができる。さらに、ＳｉＯ₂膜や圧電膜３８を採用することにより、薄膜プロセスを利用して音片型振動子を作製できるため、音片型振動子１０の小型化も容易である。

このような振動ジャイロ５０において、図６に示すように、第１の検出部６２の両端部に第２の検出部６４が形成されてもよい。第２の検出部６４は、振動体１４の幅方向の両側に沿って形成される。第２の検出部６４は、コリオリ力が働いたときに、第１の検出部６２の変形を大きくする重りとして働く。したがって、音片型振動子１０に回転角速度が印加されたとき、コリオリ力によって第１の検出部６２は大きく変形し、差動回路５４から大きい信号を得ることができる。したがって、このような音片型振動子１０を用いれば、感度の良好な振動ジャイロ５０を得ることができる。なお、上述のように、第２の検出部６４は重りとして働くものであり、この部分に電極を形成する必要はない。

また、図７に示すように、第１の検出部６２の一方主面のほぼ全面に検出電極２０を形成し、他方主面に共通電極を形成してもよい。このような音片型振動子１０を用いた振動ジャイロ５０では、音片型振動子１０の長手方向に延びる軸を中心とした回転角速度が検出される。つまり、音片型振動子１０が、図５に示すように屈曲振動している状態で、そのような回転角速度が印加されると、音片型振動子１０の主面に直交する向きにコリオリ力が働く。それにより、図８に示すように、第１の検出部６２が厚み方向に屈曲し、第１の検出部６２において対向する検出電極２０と共通電極２２との間に信号が発生する。この信号が差動回路５４から出力されるため、ＤＣアンプ６０の出力信号を測定することにより、音片型振動子１０に印加された回転角速度を検出することができる。

なお、圧電膜３８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３６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１４としては、薄膜プロセスによってＳｉＯ₂膜３６および圧電膜３８を形成したものでなくてもよい。たとえば、振動体１４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１４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１４を用いた音片型振動子１０であっても、第１の検出部６２の両側部分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片型振動子とすることができる。

また、振動体１４を構成する平行に配置された振動片の連結箇所としては、図９に示すように、振動片の端部で連結することができる。また、図１０に示すように、振動片の端部と中央部の間で連結することができるし、図１１に示すように、振動片の中央部で連結することもできる。上述の音片型振動子１０に用いられる振動体１４では、中央部の振動片とそれに隣接する振動片とは、図１１に示すように、中央部で連結され、その両側における振動片は、図９に示すように、端部で連結されている。しかしながら、振動片の端部で連結されている部分を、図１０に示すような連結箇所で連結してもよく、この場合でも、振動子としての蛇行した長さを長くすることができる。なお、図１に示す音片型振動子１０のように、図９および図１１に示す振動片の連結を組み合わせることにより、振動体１４の直線的な長さに対して、振動子としての蛇行した長さを最も長くすることができる。

Claims (7)

1. 一方主面および他方主面を有するミアンダ形状の振動体、
   前記振動体の一方主面の長手方向一端側から中央部に延びるように形成され前記振動体の幅方向に分割された２つの駆動電極、
   前記振動体の一方主面の長手方向他端側から中央部に延びるように形成される検出電極、
   前記振動体の他方主面に形成される金属膜、および
   前記振動体が屈曲振動したときのノード点となる部分に形成される前記振動体を中空に支持するための支持部を含む、音片型振動子。
2. 前記振動体の長手方向の略中央部において前記振動体の長手方向と交差する向きに延びる長尺状の第１の検出部が形成され、前記第１の検出部の一方主面に前記検出電極が形成された、請求項１に記載の音片型振動子。
3. 前記第１の検出部の端部に連結するように形成され、かつ前記振動体の幅方向の両側において前記振動体の長手方向に延びるように形成される第２の検出部を含む、請求項２に記載の音片型振動子。
4. 前記振動体は２つの圧電体基板を貼り合せて形成され、２つの前記圧電体基板が前記振動体の一方主面側と他方主面側とで互いに厚み方向逆向きに分極された、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音片型振動子。
5. 前記振動体は、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片型振動子。
6. 前記振動体は、圧電膜を含む薄膜により形成された、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音片型振動子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の音片型振動子、
   前記音片型振動子の前記駆動電極間に駆動信号を印加するための駆動手段、および
   前記検出電極と前記金属膜との間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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