JP2005249746A - Vibrator, and apparatus for measuring physical quantity - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、平面状振動子に対する垂直軸の周りの回転角速度を検出する振動型ジャイロスコープが開示されている。
このタイプの振動子の一例について、図1を参照しつつ述べる。振動子1AはX−Y平面内に形成されている。振動子1Aの連結部2は長方形をしている。連結部2の周縁部から一対の支持部3A、3Bが突出しており、各支持部3A、3Bの先端側から屈曲振動片4A、4B、4C、4Dが突出し、支持部3A、3Bに直交する方向に延びている。また、連結部2から一対の検出振動片6A、6Bが延びている。
An example of this type of vibrator will be described with reference to FIG. The vibrator 1A is formed in the XY plane. The connecting
各検出振動片4A、4B、4C、4Dには、それぞれ、一対の溝9が形成されており、溝9内には駆動電極10が形成されている。各屈曲振動片4A〜4Dの横断面は略H字形状である。各屈曲振動片4A〜4Dの先端には幅広部5が設けられている。また、各検出振動片6A、6Bには、それぞれ、一対の溝12が形成されており、溝12内には検出電極13が形成されている。各検出振動片6A、6Bの横断面は略H字形状である。各検出振動片6A、6Bの先端には幅広部7が設けられている。
A pair of
しかし、この振動子による検出感度を一層向上させるためには、検出インピーダンスの低減が重要であるが、検出インピーダンスを低減する手法は限られている。 However, in order to further improve the detection sensitivity of the vibrator, it is important to reduce the detection impedance, but the methods for reducing the detection impedance are limited.
本発明の課題は、振動子の検出インピーダンスを低減し、検出感度を一層向上させることである。 An object of the present invention is to reduce the detection impedance of the vibrator and further improve the detection sensitivity.
本発明は、所定の検出軸に対応する物理量を測定するのに用いる振動子であって、駆動振動片、検出軸に対応して振動する四個以上の検出振動片および駆動振動片と検出振動片との間に介在する連結部を備えていることを特徴とする。 The present invention is a vibrator used for measuring a physical quantity corresponding to a predetermined detection axis, and includes a drive vibration piece, four or more detection vibration pieces that vibrate corresponding to the detection axis, a drive vibration piece, and a detection vibration. It has the connection part interposed between pieces, It is characterized by the above-mentioned.
また、本発明は、前記振動子、振動子に駆動振動を励振する駆動手段、および検出振動を検出する検出手段を備えていることを特徴とする、物理量測定装置に係るものである。 In addition, the present invention relates to a physical quantity measuring apparatus including the vibrator, a driving unit that excites a driving vibration in the vibrator, and a detecting unit that detects a detection vibration.
本発明者は、例えば図10、図11に示すように、検出振動片の個数を4個以上に増加させることによって、検出振動片の個数が2個、3個の場合に比べて、検出感度が著しく向上することを見いだした。検出振動片の個数が3個の場合にも検出感度は若干は向上するが、その増加量は少なく、検出振動片の個数が四個の場合には飛躍的な検出振動の増加が見られた。この理由は明らかではないが、検出振動片の個数が3個の場合には振動状態の幾何学的対称性が低下し、検出モードのQ値が低下するために、検出インピーダンスがあまり低くならず、検出感度の増加量が少ないものと思われる。 For example, as shown in FIGS. 10 and 11, the inventor increases the number of detection vibrating pieces to 4 or more, thereby detecting sensitivity as compared with the case where the number of detection vibrating pieces is two or three. Has been found to improve significantly. When the number of detection vibrating pieces is three, the detection sensitivity is slightly improved, but the increase is small, and when the number of detection vibrating pieces is four, the detection vibration is dramatically increased. . The reason for this is not clear, but when the number of detection vibrating pieces is 3, the geometrical symmetry of the vibration state decreases and the Q value of the detection mode decreases, so the detection impedance does not become too low. It seems that the increase in detection sensitivity is small.
好適な実施形態においては、検出振動片の個数を偶数とし、これによって検出振動の幾何学的対称性が高まり、検出インピーダンスが一層低下する。 In a preferred embodiment, the number of the detection vibration pieces is an even number, thereby increasing the geometric symmetry of the detection vibration and further reducing the detection impedance.
検出振動片の個数の上限は特にないが、製造し易さなどの観点からは、検出振動片の個数は10個以下であることが好ましい。 Although there is no upper limit on the number of detection vibrating pieces, the number of detection vibrating pieces is preferably 10 or less from the viewpoint of ease of manufacture.
振動子の材質は特に限定するものでないが、水晶、LiNbO3、LiTaO3、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体(Li(Nb,Ta)O3)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を使用することが好ましい。 The material of the vibrator is not particularly limited. Crystal, LiNbO 3 , LiTaO 3 , lithium niobate-lithium tantalate solid solution (Li (Nb, Ta) O 3 ) single crystal, lithium borate single crystal, langasite single crystal It is preferable to use a piezoelectric single crystal made of a crystal or the like.
本発明の振動子を圧電性材料によって形成した場合には、この振動子に駆動電極および検出電極を設ける。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、PZT等の圧電セラミックスがある。また、本発明の振動子を、エリンバー等の恒弾性金属によって形成することもできる。この場合には、振動子の所定箇所に圧電体を取り付ける必要がある。 When the vibrator of the present invention is formed of a piezoelectric material, the vibrator is provided with a drive electrode and a detection electrode. Examples of the piezoelectric material include piezoelectric ceramics such as PZT in addition to the piezoelectric single crystal. Further, the vibrator of the present invention can be formed of a constant elastic metal such as Elinvar. In this case, it is necessary to attach a piezoelectric body to a predetermined portion of the vibrator.
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。 The physical quantity to be measured in the present invention is not particularly limited. When the vibration state of the vibrator is changed due to the influence of the physical quantity on the vibrator during driving vibration, the physical quantity that can be detected through the detection circuit from the change in the vibration state is targeted. . As such physical quantities, acceleration, angular velocity, and angular acceleration applied to the vibrator are particularly preferable. Further, an inertial sensor is preferable as the measuring device.
好適な実施形態においては、振動子が所定面に沿って延びており、駆動振動片および検出振動片が所定面内で屈曲振動する。図2、図3、図5の振動子はこの実施形態に係るものである。 In a preferred embodiment, the vibrator extends along a predetermined plane, and the drive vibrating piece and the detection vibrating piece flexurally vibrate within the predetermined plane. 2, 3, and 5 are according to this embodiment.
図2の振動子11AはX−Y平面内に形成されている。振動子11Aの連結部2は長方形をしている。連結部2の周縁部から一対の支持部3A、3Bが突出しており、各支持部3A、3Bの先端側から屈曲振動片4A、4B、4C、4Dが突出し、支持部3A、3Bに直交する方向に延びている。また、連結部2から2対の検出用の屈曲振動片6C、6D、6E、6Fが延びている。
The vibrator 11A in FIG. 2 is formed in the XY plane. The connecting
各屈曲振動片4A、4B、4C、4Dには、それぞれ、一対の溝9が形成されており、溝9内には駆動電極10が形成されている。各屈曲振動片4A〜4Dの横断面は略H字形状である。各屈曲振動片4A〜4Dの先端には幅広部5が設けられている。また、各検出振動片6C、6D、6E、6Fには、それぞれ、一対の溝12が形成されており、溝12内には検出電極13が形成されている。各検出振動片6C〜6Fの横断面は略H字形状である。各検出振動片6C〜6Fの先端には幅広部7が設けられている。
Each
各駆動振動片4A〜4Dに、矢印Aのように、X軸方向の屈曲振動を励振する。この状態で、振動子11AをωのようにZ軸の周りに回転させると、各支持部3A、3Bが、各支持部の連結部2への付け根を中心として、矢印Bのように屈曲振動する。すると、各支持部3A、3Bの屈曲振動に反応して、各検出振動片6C、6D、6E、6Fが、矢印Cのように、連結部2への付け根を中心として屈曲振動する。この屈曲振動Cによって、検出振動片6C〜6Fに惹起される電気信号を出力し、適宜差動をとる。
As shown by an arrow A, bending vibration in the X-axis direction is excited in each of the
図3の振動子11Bは、図2の振動子11Aと類似のものであるので、同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。振動子11Bにおいては、連結部2から3対の検出振動片6A、6B、6C、6D、6E、6Fが突出している。各屈曲振動片6A〜6Fには、それぞれ、一対の溝12が形成されており、溝12内には検出電極13が形成されている。各屈曲振動片6A〜6Fの横断面は略H字形状であり、各屈曲振動片6A〜6Fの先端には幅広部7が設けられている。
The vibrator 11B in FIG. 3 is similar to the vibrator 11A in FIG. 2, and thus the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In the vibrator 11B, three pairs of
各駆動振動片4A〜4Dに、矢印Aのように、X軸方向の屈曲振動を励振する。この状態で、振動子11AをωのようにZ軸の周りに回転させると、各支持部3A、3Bが、各支持部の連結部2への付け根を中心として、矢印Bのように屈曲振動する。すると、各支持部3A、3Bの屈曲振動に反応して、各検出振動片6A〜6Fが、矢印Cのように、連結部2への付け根を中心として屈曲振動する。この屈曲振動Cによって、検出振動片6A〜6Fに惹起される電気信号を出力し、適宜差動をとる。
As shown by an arrow A, bending vibration in the X-axis direction is excited in each of the
図4の振動子1Bは本発明外のものである。振動子1Bにおいては、連結部2から3個の検出振動片6A、6D、6Eが突出している。連結部2から見て+Y側に一個の検出振動片6Aが突出しており、−Y側に二個の検出振動片6D、6Eが突出している。
The vibrator 1B of FIG. 4 is outside the present invention. In the vibrator 1B, three
図5には、例えば水晶のように、X−Y平面内に3つのa軸を有する圧電性単結晶によって振動子を形成した場合の振動子例を示す。振動子11Cは、図2の振動子11Aと類似のものであるので、同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。振動子11Cにおいては、連結部2から3対の検出振動片6A、6B、6G、6H、6J、6Kが突出している。検出振動片6A、6BはY軸方向に向かって延びており、かつa軸方向に向かって延びている。検出振動片6G、6H、6J、6Kは、それぞれY軸からそれぞれ60°だけ傾斜した方向に向かって延びており、従ってa軸の方向に向かって延びている。
FIG. 5 shows an example of a vibrator when the vibrator is formed of a piezoelectric single crystal having three a axes in the XY plane, for example, quartz. Since the vibrator 11C is similar to the vibrator 11A of FIG. 2, the same reference numerals are given to the same components, and the description thereof is omitted. In the vibrator 11C, three pairs of
各屈曲振動片6A〜6Kには、それぞれ、一対の溝12が形成されており、溝12内には検出電極13が形成されている。各屈曲振動片6A〜6Kの横断面は略H字形状であり、各屈曲振動片6A〜6Kの先端には幅広部7が設けられている。
A pair of
各駆動振動片4A〜4Dに、矢印Aのように、X軸方向の屈曲振動を励振する。この状態で、振動子11AをωのようにZ軸の周りに回転させると、各支持部3A、3Bが、各支持部の連結部2への付け根を中心として、矢印Bのように屈曲振動する。すると、各支持部3A、3Bの屈曲振動に反応して、各検出振動片6A、6Bが、矢印Cのように、連結部2への付け根を中心としてX軸方向に向かって屈曲振動する。この屈曲振動Cによって検出振動片6A、6Bに惹起される電気信号を出力し、適宜差動をとる。また、これと同時に、各検出振動片6G〜6Kが、矢印Dのように、連結部2への付け根を中心として矢印Dのように屈曲振動する。この屈曲振動Dによって検出振動片6G〜6Kに惹起される電気信号を出力し、適宜差動をとる。
As shown by an arrow A, bending vibration in the X-axis direction is excited in each of the
また、好適な実施形態においては、振動子が所定面に沿って延びており、駆動振動片が所定面内で屈曲振動し、検出振動片が所定面とは略垂直な方向に屈曲振動する。 In a preferred embodiment, the vibrator extends along a predetermined plane, the drive vibrating piece bends and vibrates in the predetermined plane, and the detection vibrating piece bends and vibrates in a direction substantially perpendicular to the predetermined plane.
図6は、本発明外の振動子1Cを概略的に示す斜視図である。連結部2から上方へと向かって一対の駆動振動片15A、15Bが延びており、各駆動振動片の先端に幅広部5が設けられている。また各検出振動片15A、15Bの各対向面にそれぞれ溝9が形成されており、この結果各駆動振動片の横断面形状はH字状になっている。各溝9の内壁面には駆動電極10が設けられている。
FIG. 6 is a perspective view schematically showing a vibrator 1C outside the present invention. A pair of
連結部2の下側には、一対の検出振動片16A、16Bが突出している。そして各検出振動片16A、16Bの先端にそれぞれ幅広部7が設けられている。各駆動振動片15A、15Bに矢印Aのように、X軸方向に向かって連結部2への付け根を中心として屈曲振動を励振する。この状態で振動子1CをY軸の周りにωのように回転させると、各検出振動片16A、16Bに、矢印EのようにZ軸方向の屈曲振動が励振される。この屈曲振動Eによって検出振動片16A、16Bに惹起される電気信号を出力し、差動をとる。
A pair of detection vibrating pieces 16 </ b> A and 16 </ b> B protrudes below the connecting
図7は、本発明に係る振動子11Dを概略的に示す斜視図である。連結部2から上方へと向かって一対の駆動振動片15A、15Bが延びており、各駆動振動片の先端に幅広部5が設けられている。また各検出振動片15A、15Bの各対向面にそれぞれ溝9が形成されており、この結果各駆動振動片の横断面形状はH字状になっている。各溝9の内壁面には駆動電極10が設けられている。
FIG. 7 is a perspective view schematically showing a vibrator 11D according to the present invention. A pair of
連結部2の下側には、2対の検出振動片16A、16B、16C、16Dが突出している。そして各検出振動片16A〜16Dの先端にそれぞれ幅広部7が設けられている。各駆動振動片15A、15Bに矢印Aのように、X軸方向に向かって連結部2への付け根を中心として屈曲振動を励振する。この状態で振動子1CをY軸の周りにωのように回転させると、各検出振動片16A〜16Dに、矢印EのようにZ軸方向の屈曲振動が励振される。この屈曲振動Eによって検出振動片16A、16Bに惹起される電気信号を出力し、差動をとる。これと同時に、この屈曲振動Eによって検出振動片16C、16Dに惹起される電気信号を出力し、差動をとる。
Two pairs of
図8は、図2〜図7に例示した横断面がH字形状の駆動振動片における駆動電極の構成例を示す一部断面図である。振動片は、一対の基部20と、基部20を連結する中央連結部23とを備えており、これらによって一対の細長い溝9が形成されている。溝9内には駆動電極10が形成されており、また基部20の表面にも電極10が形成されている。交流電源25から各駆動電極10に交流電圧を印加し、各屈曲振動片に交流電圧を印加し、矢印A方向に駆動振動を励振する。
FIG. 8 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration example of the drive electrode in the drive vibration piece whose cross section illustrated in FIGS. 2 to 7 is H-shaped. The resonator element includes a pair of
図8は、図6、図7に例示した横断面が十字形状の検出振動片における検出電極の構成例を示す一部断面図である。検出振動片16A、16B、16C、16Dにおいては、検出振動片の各表面28から一対の細長い突起27が突出しており、全体として十字形状の断面を有している。この屈曲振動に基づく電圧を検出電極29および検出部30において検出する。
FIG. 8 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration example of the detection electrode in the detection vibrating piece having a cross-shaped cross section illustrated in FIGS. 6 and 7. In the
図1、図2、図4、図5に示す各振動子を製造し、回転角速度検出時の感度および検出インピーダンスを測定した。 Each vibrator shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 4, and FIG. 5 was manufactured, and the sensitivity and the detection impedance at the time of detecting the rotational angular velocity were measured.
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、厚さ100オングストロームのクロム膜と、厚さ1500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。
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、振動子の外形を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ100オングストロームのクロム膜上に厚さ2000オングストロームの金膜を電極膜として形成した。振動子の寸法は、縦2.0mm、横2.0mm、厚さ0.1mmであり、重量は約0.3mgであった。
Specifically, a chromium film having a thickness of 100 angstroms and a gold film having a thickness of 1500 angstroms were formed at predetermined positions on a quartz Z-plate wafer having a thickness of 0.1 mm by sputtering. Resist was coated on both sides of the wafer.
This wafer is immersed in an aqueous solution of iodine and potassium iodide, and the excess gold film is removed by etching. Further, the wafer is immersed in an aqueous solution of cerium ammonium nitrate and perchloric acid, and the excess chromium film is etched. Removed. The wafer was immersed in ammonium bifluoride at a temperature of 80 ° C. for 20 hours, and the wafer was etched to form the outer shape of the vibrator. Using a metal mask, a gold film having a thickness of 2000 angstroms was formed as an electrode film on a chromium film having a thickness of 100 angstroms. The dimensions of the vibrator were 2.0 mm in length, 2.0 mm in width, 0.1 mm in thickness, and the weight was about 0.3 mg.
各振動子をパッケージに実装した。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。銅膜線の厚さを0.014mmとし、幅を0.05mmとした。銅膜線の本数は6本である。振動子の連結部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。 Each vibrator was mounted on a package. The substrate was formed of alumina ceramic, the contact pad was formed of gold, and the frame was formed of SUS. The bonding wire was manufactured by plating a copper film wire with gold. The thickness of the copper film wire was 0.014 mm and the width was 0.05 mm. The number of copper film wires is six. The connecting portion of the vibrator was bonded to the bonding wire by ultrasonic bonding and fixed on the substrate.
得られた振動型ジャイロスコープを恒温恒湿試験槽に入れた。そして、約45kHzの駆動振動を電圧0.5ボルトで励振し、検出感度を測定した。また、印加電圧0.5ボルトにおいて検出インピーダンスをインピーダンスアナライザで測定した。 The obtained vibrating gyroscope was placed in a constant temperature and humidity test tank. Then, a driving vibration of about 45 kHz was excited with a voltage of 0.5 volts, and the detection sensitivity was measured. The detected impedance was measured with an impedance analyzer at an applied voltage of 0.5 volts.
この結果を図10、図11に示す。ただし、図10、図11において、「検出アーム本数」と各振動子とは以下の対応関係にある。
「検出アーム本数」が2 図1の振動子1A
「検出アーム本数」が3 図4の振動子1B
「検出アーム本数」が4 図2の振動子11A
「検出アーム本数」が6 図5の振動子11C
The results are shown in FIGS. However, in FIG. 10 and FIG. 11, the “number of detection arms” and each transducer have the following correspondence relationship.
"Number of detection arms" is 2. Vibrator 1A in FIG.
“Number of detection arms” is 3. Vibrator 1B in FIG.
“Number of detection arms” is 4. Vibrator 11A in FIG.
“Number of detection arms” is 6. Vibrator 11C in FIG.
この結果から分かるように、本発明によれば、振動子の検出インピーダンスを低減し、検出感度を一層向上させることができる。 As can be seen from this result, according to the present invention, the detection impedance of the vibrator can be reduced and the detection sensitivity can be further improved.
2 連結部 3A、3B 支持部 4A、4B、4C、4D、15A、15B 駆動振動片 5、7 幅広部 6A、6B、6C、6D、6E、6F、6G、6H、6J、6K 所定面内で屈曲振動する検出振動片 11A、11B、11C、11D 振動子 16A、16B、16C、16D 所定面と略垂直な方向に屈曲振動する検出振動片 A 所定面内の駆動振動 C 所定面内の検出振動 E 所定面に略垂直な方向の検出振動 Y 所定面に平行な検出軸 Z 所定面に略垂直な検出軸 X−Y 所定面 ω 回転
2
Claims (6)
駆動振動片、前記検出軸に対応して振動する四個以上の検出振動片および前記駆動振動片と前記検出振動片との間に介在する連結部を備えていることを特徴とする、振動子。 A vibrator used to measure a physical quantity corresponding to a predetermined detection axis,
A vibrator comprising: a drive vibration piece; four or more detection vibration pieces that vibrate corresponding to the detection shaft; and a connecting portion interposed between the drive vibration piece and the detection vibration piece. .
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