JP2008175578A

JP2008175578A - 圧電振動ジャイロ用振動子

Info

Publication number: JP2008175578A
Application number: JP2007007217A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Mizuno; 豪水野; Akiko Oshima; 亜希子大島; Mitsuharu Chiba; 光晴千葉; Koichi Shuda; 浩一習田; Koichi Okamoto; 幸一岡本
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】簡素な形状、電極構造、２軸検出での振動子構成が可能となり、小型、低価格、高性能な圧電振動ジャイロ用振動子を提供すること。
【解決手段】圧電すべり効果によるねじり振動モードを駆動振動モードに用いた圧電振動ジャイロ用振動子であり、柱状の第２のアーム部４２に対して垂直に接続される２つの柱状の第１のアーム部４３ａ、４３ｂを有し、圧電単結晶で一体的に平板状の振動子が構成され、第１のアーム部４３ａ、４３ｂの表裏面には帯状の検出電極４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ及び基準電位電極４６ａ、４６ｂが形成され、第２のアーム部４２の表裏面には帯状の駆動電極４４ａ、４４ｂが形成された圧電振動ジャイロ用振動子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電材料による電気機械変換作用を用いた圧電振動ジャイロ用振動子に関する。

（１軸振動ジャイロ：基本原理）振動ジャイロとは、速度を持つ物体に回転角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。振動ジャイロは電気的な信号を印加することで機械的な振動（以下、「駆動モード」と呼ぶ。）を励起することができ、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動（以下、「検出モード」と呼ぶ。）の大きさを電気的に検出可能とした系を有し、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした回転角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出モードが発生し、出力電圧として検出できる。この検出された出力電圧は駆動モードの大きさ及び回転角速度に比例するので、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。

（１軸または２軸振動ジャイロ：主要な振動方式）振動ジャイロ用振動子は駆動モード、検出モードの振動モードを圧電横効果による屈曲振動を用いた圧電セラミック、圧電単結晶などの圧電材料を用いたものが多く、図１０は従来の圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図である。図１０において、振動子１１１は、エリンバなどの恒弾性金属材料からなる正方形状の板状の振動体１１２と、振動体１１２の主面の中央部に配置された圧電素子１１３とからなる。圧電素子１１３の表面には、複数の分割された電極１１６が配されている。振動体１１２には各辺の中央から中心点に向う４本の切り欠き１２１、１２２、１２３、１２４によって４つの振動体１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが形成されている。振動子１１１は、ノード軸Ｎ１及びノード軸Ｎ２を軸とする軸対称モードで振動し、ノード軸Ｎ１とノード軸Ｎ２の交点付近で支持固定される。角速度の検出は、振動子１１１の平面内で振動するモードを用い、平面内の直交する２軸の角速度の検出を可能としている。このような振動ジャイロは特許文献１に開示されている。

（１軸振動ジャイロ：圧電横効果を利用したねじり振動方式）振動モードは屈曲振動を用いたものが多いが、圧電横効果によるねじり振動を利用した圧電振動ジャイロ用振動子が特許文献２、３に開示されている。

（１軸振動ジャイロ：屈曲振動を利用した振動子の材料）圧電振動ジャイロ用振動子の材料としては圧電セラミック、圧電単結晶材料が利用されている。その中でも圧電単結晶材料は、一般に機械的品質係数（以下、Ｑｍと記す）が高い、温度変化に対する特性変化が小さい、材料が均一で信頼性が高い、材料の量産性が良い、等の特徴があり、特にセンサ、発振器、表面弾性波フィルタなど、電子部品向けの振動子としてよく用いられている。また、今後の電子部品業界では電子部品の非鉛化が奨励されており、環境に対しても適した材料とされる。

（１軸振動ジャイロ：単結晶材料の特徴）しかしながら圧電単結晶材料の多くは物性に異方性があり、結晶方向を回転させることにより圧電効果の大きさが変化する。この結晶方向の回転角度のことを結晶方位といい、屈曲振動、ねじり振動のための圧電横効果に有効な結晶方位が存在する。

圧電効果の大きさの指標として電気エネルギを機械的エネルギに変換する効率の大きさとなる結合係数ｋijがあり、圧電材料の圧電定数、弾性定数、誘電率から計算される。結合係数ｋijが大きいほど駆動振動、検出振動の効率が良く高性能の圧電振動ジャイロ用振動子が製作できる。結合係数ｋijは３階のテンソルであり、添字ｉは電圧印加方向を示し、１から３までの数字が割り当てられ、添字ｊは圧電効果の方向を示し、１から６までの数字が割り当てられる。添字ｉ、ｊに割り当てられる１、２、３はそれぞれ振動子に対して任意に設定したＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、４、５、６はそれぞれＸ軸まわり、Ｙ軸まわり、Ｚ軸まわりの回転方向を示す。例えばＸ軸方向に電圧印加したときのＹ軸方向の圧電横効果の大きさはｋ_１２となる。また、Ｘ軸方向に電圧印加したときのＺ軸まわりの圧電すべり効果の大きさはｋ_１６となる。また、圧電横効果で利用される結合係数は電圧印加方向に対して垂直な方向の圧電効果であるｋ_１２、ｋ_１３、ｋ_２１、ｋ_２３、ｋ_３１、ｋ_３２となる。したがって、圧電単結晶材料で圧電振動ジャイロ用振動子を構成する場合、振動子構造に対してどの角度で結晶方位を設定するかが重要となる。

（振動ジャイロ：近年のジャイロ業界での２軸への展開）近年、振動ジャイロにおいても、その他の電子部品と同様に小型化、低価格化が急速に進められている。また、例えば、手振れ防止装置等では、一般に２軸の回転角速度の検出が必要であるため、１軸の回転角速度を検出できる製品を２つ使用している場合がほとんどである。このような状況の中で、振動ジャイロの小型化、低価格化へのアプローチの１つとして、２軸の回転角速度の検出を１つの製品内で可能にする検討がなされている。このような構成の場合、１軸の製品を別々に生産するのに比べ、回路や外部入出力端子等の共通部分を共有することが可能となり、小型・低価格化を図ることができる。また、携帯電話機をはじめとした、携帯機器への搭載の検討も始まり、これまで以上に耐衝撃性、高安定化が求められている。

特許第３２０６５５１号公報特許第２５２１４９３号公報特開２０００−３１０５３４号公報

上記のように、小型・低価格化のためには、２軸の回転角速度の検出が１つの製品内で可能であるだけでなく、高効率の圧電振動を用いなければならない。

図１１は水晶の代表的なＺ軸回転時の結晶方位と結合係数のグラフである。結晶方位０°のとき結合係数はｋ_１２は最大であるがｋ_１２に対して垂直方向の結合係数ｋ_１３はいずれの方位角でも０である。したがって、図１２に斜視図で示したような垂直な２方向の屈曲振動の励起が困難である。たとえ結晶方位を回転させてもいずれの結合係数も最大効率が出せず高い効率での圧電横効果は得られない。

それに対して２方向の屈曲振動を可能とする技術が特許文献３に開示されている。特許文献３では圧電単結晶材料として水晶を使用しており、駆動振動を励振させる枝部に対して６０°の傾きで検出振動を励振させる第２の枝部を接続させ、表裏面に電極を形成することによりｋ_１２の成分を利用している。しかしながら結晶方位が６０°のとき結合係数が最大をとっても振動方向に対しては６０°の傾きを持つため、エネルギを損失し高性能な圧電振動ジャイロ用振動子を得ることが困難である。

一般に圧電単結晶材料を使用した場合、このような結晶方位、電極、形状の構造制限があるため小型化、低価格、高性能が困難になるといった問題がある。

この状況にあって、本発明の課題は、簡素な形状、電極構造、２軸検出での振動子構成が可能となり、小型、低価格、高性能な圧電振動ジャイロ用振動子を提供することにある。

前述の課題を解決するために、本発明の請求項１によれば圧電すべり効果によるねじり振動モードを駆動振動モードまたは検出振動モードの少なくとも一方に用いる圧電振動ジャイロ用振動子の構成とすることにより高い結合係数を示す圧電すべり効果でのねじり振動を励振可能となり課題を解決できる。

なお、圧電によるすべり効果には、例えば水晶や圧電セラミックの平板モデルでは、「圧電面すべり」によるものと、「圧電厚さすべり」によるものがあるが、本願では、それらを総称して、圧電すべり効果と呼ぶ。また、すべり効果を生じる圧電定数には、ｄ_１４、ｄ_１５、ｄ_１６、ｄ_２４、ｄ_２５、ｄ_２６、ｄ_３４、ｄ_３５、ｄ_３６がある。

また、２方向の振動モードを構成するため、柱状の第２のアーム部に対して垂直に接続される２以上の柱状の第１のアーム部を有し、圧電単結晶材料で一体的に形成される平板状の圧電振動ジャイロ用振動子であって、該第１のアーム及び該第２のアーム部の表面に電気信号入力用の帯状駆動電極と、振動検出用の帯状検出電極及び基準電位用の電極が施された構成が望ましい。

また、２方向の振動モードの振動を安定させるため、前記第２のアーム部に垂直に接続される２以上の前記第１のアーム部を有する平板状の圧電振動ジャイロ用振動子であって、該振動子平面内に振動する第１及び第２の振動モードと、該第１及び第２の振動モードと振動方向が直交する第３の振動モードの振動を励起及び検出可能な構成とすることが望ましい。

また、駆動振動モードと検出振動モードを高効率とするため、駆動振動モードと検出振動モードの少なくとも１つの振動モードには、前記第２のアーム部の厚さ方向あるいは主面内方向の圧電厚さすべり効果による前記第２のアーム部の長手方向に対して垂直な面に関するねじり振動を用い、他の振動モードには前記第１のアーム部の厚さ方向あるいは主面内方向で且つ該ねじり振動の回転中心軸に垂直な方向の圧電横効果による該第１のアーム部に関する屈曲振動を用いる構成が望ましい。

また、振動子の組み立て性の向上及び２軸の角速度検出を可能とするため、枠体と、該枠体に両端が支持されてなる支持部と、該支持部と交差し形成される１以上の第２のアーム部と、該第２のアーム部に接続される２以上の第１のアーム部と、該第１のアーム部に支持される負荷質量部とからなり、前記第１の振動モード、前記第２の振動モード及び前記第３の振動モードにおいて、該記枠体が振動のノードとなる構成にすることが望ましい。

また、大きな結合係数での圧電横効果、圧電厚さすべり効果を得るため、圧電単結晶材料がＬｉＮｂＯ_３であり、前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部の厚さ方向が該圧電単結晶の結晶方位のＸ軸であり、前記第２のアーム部の長手方向と平行な方向が該圧電単結晶の結晶方位の１４０°±１５°回転Ｙ軸である構成にすることが望ましい。

同様に、大きな結合係数での圧電横効果、圧電厚さすべり効果を得るため、圧電単結晶材料がＬｉＴａＯ_３であり、前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部の厚さ方向が該圧電単結晶の結晶方位のＸ軸であり、前記第２のアーム部の長手方向と平行な方向が該圧電単結晶の結晶方位の１４０°±１５°回転Ｙ軸である構成にすることが望ましい。

以上述べたように本発明の適用により、簡素な形状、電極構造、２軸検出での構成が可能となり、小型、低価格、高性能な圧電振動ジャイロ用振動子を得ることが可能である。

本発明の実施の形態を、本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の例で図を用いて説明する。

（実施の形態１）図１は本発明の実施の形態１における圧電振動ジャイロ用振動子４１を示す斜視図である。ＬｉＮｂＯ_３の圧電単結晶からなる１枚の圧電単結晶板の同一面内に第２のアーム部４２と、第２のアーム部４２にＴ字型となるように接続された２つの第１のアーム部４３ａ、４３ｂをフォトリソグラフィー技術を利用したブラスト加工、ドライエッチング加工などのパターン加工により形成した。本実施の形態では、第２のアーム部４２の中心線に対して左右対称な形状とした。また、第２のアーム部４２の端面４７は固定面とした。

座標軸の配置は第２のアーム部４２の長手方向と平行な軸をＹ軸、第１のアーム部４３ａ、４３ｂの長手方向と平行な軸をＺ軸とし、ＹＺ平面に対して垂直な方向をＸ軸とした。電極は、第２のアーム部４２の表面には圧電すべり効果を使用したねじり振動用の駆動電極４４ａ、４４ｂを帯状に形成し、第１のアーム部４３ａ、４３ｂの表面には圧電横効果の屈曲振動用の検出電極４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄと基準電位電極４６ａ、４６ｂを帯状に形成した。図２（ａ）は第２のアーム部４２の断面図であり、図２（ｂ）は第１のアーム部４３ａの断面図である。このように平板裏面にも表面同様の電極を形成した。また、電極はクロムを下地とした金電極で形成した。

上記の構成で必要となる結合係数はｋ_２１、ｋ_２３、ｋ_１６となる。図３はＬｉＮｂＯ_３のＸ軸まわりの結晶方位と結合係数ｋ_２１、ｋ_２３、ｋ_１６のグラフである。

１４０°付近で結合係数ｋ_２１、ｋ_２３、ｋ_１６が高いので結晶方位は素子（圧電振動ジャイロ用振動子４１）のＹ方向が結晶方位の±１４０°Ｙと一致するように配置した。したがって結合係数ｋ_２１、ｋ_２３、ｋ_１６を利用することで圧電振動ジャイロ用振動子の第２のアーム部４２、第１のアーム部４３ａ、４３ｂの表裏面だけの電極で圧電振動ジャイロ用振動子が構成できる。

ここで、上記実施の形態による構成の圧電振動ジャイロの動作原理について説明する。駆動電極４４ａ、４４ｂに互いに逆位相の交流電圧を印加することで圧電厚さすべり効果でねじり振動を駆動振動モード（Ｘモード）として励振する。

図４はＸモードの第２のアーム部４２と第１のアーム部４３ａ、４３ｂの挙動を示す斜視図である。第１のアーム部４３ａと４３ｂとが互いにＸ軸方向に対して平行方向に逆位相で振動する。こうして、第２のアーム部４２には、ねじり振動４８が生じる。

図５は第１のアーム部４３ａと４３ｂが互いにＹ軸方向に対して逆位相で振動するＹモードの斜視図である。

例えば、駆動振動であるＸモードを励振した状態で、Ｙ軸まわりに角速度を印加すると、２つの第１のアーム部に働くコリオリ力の影響で、Ｙモードが発生する。このとき、Ｘモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Ｙモード振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。

圧電単結晶材料としてはＬｉＮｂＯ_３のほかにＬｉＴａＯ_３を適用しても本発明により有用な圧電振動ジャイロ用振動子が構成できる。また、その結晶方位については１４０°回転Ｙ軸に対し±１５°の回転範囲を許容しても、実用的には十分な高効率が得られる。

（実施の形態２）
図６は上記実施の形態１による圧電振動ジャイロ用振動子に加えさらに端面４７（図１）を対称面にしてＴ字形状の同様な振動子を接続し、第１のアーム部９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄの先端に負荷質量部９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄを接続した圧電振動ジャイロ用振動子の上面図である。

本実施の形態２のＸモードは図７に示すように第２のアーム部９３ａ、９３ｂがねじり振動を行い、第１のアーム部９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄが第２のアーム部９３ａ、９３ｂを軸に回転運動を行う。その結果、負荷質量部９２ａ及び９２ｄと、負荷質量部９２ｂ及び９２ｃとが互いに逆位相で面外方向に振動を行う。

また、Ｙモードは、図８に示すように、第１のアーム部９１ａ及び９１ｄと他の第１のアーム部９１ｂ及び９１ｃとが、それぞれ互いにＹ軸方向に対して逆位相で面内方向に振動する。

加えて、Ｚモードとして図９に示すように第１のアーム部９１ａ及び９１ｃと他の第１のアーム部９１ｂ及び９１ｄとが、負荷質量部９２ａ及び９２ｃと他の負荷質量部９２ｂ及び９２ｄを伴って、それぞれ互いにＺ軸方向に対して逆位相で面内方向に振動する。

したがって、Ｙモードの面内振動及びＺモードの面内振動を各々の位相関係を基に分離出力すれば、１つの圧電振動ジャイロ用振動子で２軸の検出が可能となる。また、図６のように、第２のアーム部９３ａ、９３ｂのねじり振動のノード点近傍はビーム部（支持部）９４ａ、９４ｂによって外縁部（枠体）９５へと接続されている。

このように、互いに隣合う負荷質量が接続されたアームの振動が逆位相であるため振動エネルギが内部に閉じこもり、駆動モードの振動が枠体へ伝わり難くなる。したがって、駆動モードの振動を阻害することなく、安定な支持特性が得られる。そして、センサ出力が安定化し、出力ドリフトも低減する。また、外縁部９５全周を支持できるので、圧電振動ジャイロ用振動子に衝撃が加わっても、力を分散でき、耐衝撃性の高い構造となる。加えて、外縁部９５を支持固定することができるため、実装が容易で、生産性も高くなる。

その製造工程においては、圧電単結晶のウエハ上に複数個の前記振動ジャイロ用素子を同時に形成し、外縁部９５同士が接合した状態であっても、特性を検査することが容易となる。したがって、振動ジャイロ用素子を１つずつ切り出すことなく、振動特性の検査、周波数調整、バランス調整を行うこともでき、容易に検査、調整可能で、後工程の歩留まりも改善できる。

以上、圧電単結晶ＬｉＮｂＯ_３回転１４０°板と、ねじり振動、屈曲振動を振動モードに適用した構造を組み合わせることにより、単純な構造で高性能、小型化、低コスト化を実現した量産性の高い圧電振動ジャイロ用振動子を得ることができる。

ところで、上記の実施の形態では第１のアーム部が２個または４個の場合について説明したが、第１のアーム部の個数は３または５以上も可能であり、振動のバランスをとるため、あるいは感度を上げるためなど、その目的などに応じて、適切な個数を選択できる。

また上記実施の形態では、「圧電厚さすべり」による圧電すべり効果を用いた場合を説明したが、「圧電面すべり」による圧電すべり効果を用いてもよいことは明らかである。

本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態１の斜視図。本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態１に係り、図２（ａ）は第２のアーム部の断面図、図２（ｂ）は第１のアーム部の断面図。ＬｉＮｂＯ_３のＸ軸まわりの結晶方位と結合係数ｋ_２１、ｋ_２３、ｋ_１６のグラフ。本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態１でのＸモードの振動方向を示す斜視図。本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態１でのＹモードの振動方向を示す外形斜視図。本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態２での上面図。本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態２でのＸモードの振動方向を示し、図７（ａ）はその斜視図、図７（ｂ）は上面図、図７（ｃ）は側面図。本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態２でのＹモードの振動方向を示し、図８（ａ）はその斜視図、図８（ｂ）は上面図、図８（ｃ）は側面図。本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態２でのＺモードの振動方向を示し、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は上面図、図９（ｃ）は側面図。従来の技術説明するための圧電振動ジャイロ用振動子の斜視図。従来の問題を説明するための水晶の結晶方位角と結合係数の関係のグラフ。従来の問題を説明するための圧電振動ジャイロ用振動子の斜視図。

符号の説明

４１圧電振動ジャイロ用振動子
４２、９３ａ、９３ｂ第２のアーム部
４３ａ、４３ｂ、９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄ第１のアーム部
４４ａ、４４ｂ駆動電極
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ検出電極
４６ａ、４６ｂ基準電位電極
４７端面
４８ねじり振動
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄ負荷質量部
９４ａ、９４ｂビーム部
９５外縁部
１１１振動子
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１２振動体
１１３圧電素子
１１６電極
１２１、１２２、１２３、１２４切り欠き
Ｎ１、Ｎ２ノード軸

Claims

圧電すべり効果によるねじり振動モードを駆動振動モードまたは検出振動モードの少なくとも一方に用いたことを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子。
柱状の第２のアーム部に対して垂直に接続された２以上の柱状の第１のアーム部を有し、圧電単結晶で一体的に平板状に形成され、該第１のアーム部及び該第２のアーム部の表面に、電気信号入力用の帯状駆動電極と、振動検出用の帯状検出電極とが形成されたことを特徴とする請求項１記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
柱状の第２のアーム部に対して垂直に接続された２以上の柱状の第１のアーム部を有し、圧電単結晶で一体的に平板状に形成され、該平板の面内で振動する第１及び第２の振動モードと該第１及び第２の振動モードに振動方向が直交する第３の振動モードとを、前記駆動振動モード及び検出振動モードに用いたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
前記駆動振動モード及び検出振動モードのうちの少なくとも１つの振動モードには前記第２のアーム部の厚さ方向または主面内方向の圧電厚さすべり効果により発生する前記第２のアーム部の長手方向に垂直な面内のねじり振動を用い、他の振動モードには前記第１のアーム部の厚さ方向または主面内方向で且つ該ねじり振動の回転中心軸に垂直な方向の圧電横効果による該第１のアーム部の屈曲振動を用いたことを特徴とする請求項２または請求項３記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
枠体と、該枠体に両端が支持されてなる支持部と、該支持部と交差し形成される１以上の第２のアーム部と、該第２のアーム部に接続される２以上の第１のアーム部と、該第１のアーム部に支持される負荷質量部とからなり、前記駆動振動モード及び前記検出モードのいずれに対しても、前記枠体が振動のノードとなることを特徴とする請求項３または請求項４記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
前記圧電単結晶がＬｉＮｂＯ_３であり、前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部の厚さ方向が該圧電単結晶の結晶方位のＸ軸であり、前記第２のアーム部の長手方向と平行な方向が該圧電単結晶の結晶方位の１４０°±１５°回転Ｙ軸であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
前記圧電単結晶がＬｉＴａＯ_３であり、前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部の厚さ方向が該圧電単結晶の結晶方位のＸ軸であり、前記第２のアーム部の長手方向と平行な方向が該圧電単結晶の結晶方位の１４０°±１５°回転Ｙ軸であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の圧電振動ジャイロ用振動子。