WO2008010336A1

WO2008010336A1 - Vibrateur de type fourche et gyroscope à vibrations l'utilisant

Info

Publication number: WO2008010336A1
Application number: PCT/JP2007/057824
Authority: WO
Inventors: Katsumi Fujimoto; Masato Koike
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2007-04-09
Publication date: 2008-01-24
Also published as: US20090126488A1; CN101490506B; US7832272B2; JPWO2008010336A1; JP4687789B2; CN101490506A

Description

明細書

音叉型振動子およびそれを用いた振動ジャイロ

技術分野

[0001] 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。背景技術

[0002] 図 8は従来の音叉型の圧電振動子を一方側力みた斜視図であり、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ぉヽ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。

[0003] 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、コリオリカにより、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からコリオリカに対応した逆位相の信号が出力され、差動回路力も検出電極 4 a, 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)。

[0004] 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の側面力延在するようにして電極 9が形成される。

[0005] 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、コリオリカによって脚部 6a, 6b の振動方向が変化し、差動回路力コリオリカに対応した信号が出力される。したがつて、差動回路力も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)。

特許文献 1：特開平 10— 111132号公報

特許文献 2：特開 2004— 61486号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 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つてきている。ここで、上述のような音叉型振動子の共振周波数 corは、音叉型振動子の有効長さを L、厚みを H、密度を p、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。

[0007] [数 1]

[0008] 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力る。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 1Z2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ノィモルフ振動子では、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。

[0009] 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 3 mm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つて、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。しカゝしながら、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、。

[0010] 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。

課題を解決するための手段

[0011] 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ぉ、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。

[0012] 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。

[0013] 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、て振動体を支持することができる。

[0014] 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ヽに逆向きに配置された構成としてもょヽ。

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ょヽ。

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。

[0015] 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。

駆動手段力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カ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カ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。

発明の効果

[0016] 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。したがつて、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。

[0017] 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力となろう。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]この発明の音叉型振動子の一例を示す平面図である。

[図 2]図 1の線 A— Aにおける断面図である。

[図 3]図 1の線 B— Bにおける断面図である。

[図 4]図 1に示す音叉型振動子の脚部の断面図である。

[図 5]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 6]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。

[図 7]この発明の音叉型振動子の他の例を示す平面図である。

[図 8]従来の音叉型振動子の一例について、一方側力もみた斜視図である。

[図 9]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。

[図 10] (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

[0019] 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 SiO膜

2

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

Rl, 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

発明を実施するための最良の形態

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。

[0021] 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。

[0022] 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、 SiO膜 24が形成される。さら

2

に、 SiO膜 24上に、 A1Nなどにより圧電膜 26が形成される。これらの基板 22、 SiO

2 2 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。

[0023] 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, 44 cが形成され、電極 44aがー方の脚部 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〖こは、 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。

[0024] 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、たとえば圧電体ゃ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、 SiO膜 24が形成される。さらに、 SiO膜 24上に、反応性 RFマグ

2 2

ネトロンスパッタ法、蒸着法、 CVD法などの成膜方法により、 A1Nによる圧電膜 26が形成される。そして、これらの SiO膜 24および圧電膜 26が、音叉型振動子の形状に

2

パター-ングされる。

[0025] 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、パターユ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力形成される。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、金属板を貼り付けてお、てもよ!/、。

[0026] 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。

[0027] 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 1 4, 16に形成された内側の電極 30, 32は、抵抗 Rl, R2が接続され、これらの抵抗 R 1, 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 Rl, 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。 [0028] 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ァンプ 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。

[0029] 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 Rl, R2、自励発振回路 52、電極 28, 34〖こよって、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。

[0030] 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はコリオリカ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カが働くため、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、コリオリカによる振動で発生する逆位相の信号が出力される。

[0031] 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、すなわちコリオリカによる信号のみが取り出される。このコリオリカによる信号は、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。

[0032] 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、ようにすることができる。

[0033] 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!ヽ振動ジャイロ 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。

[0034] なお、圧電膜 26として形成される A1Nは、ヤング率の温度係数が負の値をもっため、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 SiO膜 24と組み合わせることに

2

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。

[0035] 振動体 12としては、基板 22上に薄膜プロセスによって SiO膜 24および圧電膜 26

2

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 1 4, 16を備えている力脚部 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ぐ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。

[0036] 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。

[0037] 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と脚咅 76の電極 80, 82とは、支持咅 89を介して、脚咅 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。

[0038] 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

請求の範囲

[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ぉ、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、し請求項 3の、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!ヽし請求項 3のヽ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、し請求項 3のヽずれかに記載の音叉型振動子。

[7] 請求項 1な!、し請求項 6の、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。