JP2009210498A - 物理量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の物理量の検出精度が高い物理量測定装置を提供する。
【解決手段】振動ジャイロ１は、圧電基板１０を加工することにより形成された基部１３と、基部１３の一端側から延出する二つの振動腕１１，１２と、を有している。圧電基板１０の一方の面において、振動腕１１，１２それぞれの基部１３との付け根部分近傍には圧電薄板５１，５２がそれぞれ接着・固定されている。また、圧電基板１０の圧電薄板５１，５２が設けられた面と対向する面の、圧電薄板５１，５２と平面視で重なる領域に、圧電基板１０を所定の幅にて所定の深さで除去することにより形成された括れ部２１，２２が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電振動片の振動や変位を検出することにより、物理量を検出する物理量測定装置の改良に関するものである。

近年、車両における車体制御やカーナビゲーションシステムの自車位置検出、また、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの振動制御補正機能（所謂手ぶれ補正）などを充実させる物理測定装置としての振動ジャイロセンサ（以下振動ジャイロと呼ぶ）が広く利用されている。振動ジャイロは、水晶などの圧電性単結晶物からなるジャイロ振動片により、物体の揺れや回転などの振動によってジャイロ振動片の一部に発生する電気信号を角速度として検出し、回転角を算出することによって物体の変位を求めるものである。
このような振動ジャイロを搭載する電子機器に対して、近年、高機能化の要求がますます高まるのに伴って、振動ジャイロには、より高精度な角速度検出を実現する高感度化が強く求められてきている。こうした要求に応えるものとして、角速度の検出に専用の圧電薄板が設けられた振動ジャイロが、例えば特許文献１に紹介されている。

特許文献１の振動ジャイロ（水晶振動子）は、圧電基板（水晶基板）を加工することにより形成された基部と、基部から延びる複数の振動腕（枝部）とを有し、各振動腕の対向する面に振動ジャイロを励振するための励振電極が形成されている。そして、各励振電極上には、角速度の検出に専用の圧電薄板（薄板状の圧電素子）が接着剤（接合部材）により接着されて設けられている。
励振させた振動ジャイロに、物体の振動に伴うある角速度の回転力が加わると、それに対応してコリオリ力が各振動腕に発生する。このコリオリ力により、ある瞬間に振動腕が所定方向に変位すると、圧電薄板が圧縮力または伸長力を受けて、圧電薄板上に設けられた検出電極に圧電効果による電位が発生する。この電位を、角速度検出回路に出力することにより、高精度な角速度検出を実現できるようになっている。

特開平６−１９４１７６号公報

特許文献１に記載の物理量測定装置の構成において、駆動振動および外部の振動に伴う応力が最も大きく加わる部分である振動腕の基部との付け根近傍に圧電薄板を設けることにより、圧電薄板によって検出信号を効率よく取り出すことができることを発明者は見出した。しかしながら、特許文献１では、振動ジャイロ上における圧電薄板を設ける位置について、特に記載がされていない。
また、物理量測定装置を構成する圧電基板のうち、少なくとも振動腕が薄い方が、振動モードにおける振動腕の屈曲運動の変位が大きくなることによって、検出精度をより高めることができるが、圧電基板を薄くし過ぎると機械的強度が低下し、振動ジャイロの耐衝撃性が確保できなかったり、製造工程において破損する可能性が増大して製造が困難になったりする虞があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

〔適用例１〕本適用例にかかる物理量測定装置は、圧電基板を加工することにより形成された基部と、前記基部から延出する複数の振動腕とを有し、前記振動腕には励振電極が設けられ、前記圧電基板上に、表面に検出電極が設けられた圧電薄板が接合されてなり、外部から作用する力により前記振動腕に生じる振動を前記圧電薄板を用いて検出する物理量測定装置であって、前記圧電基板の、前記振動腕と前記基部との付け根の近傍に括れ部が形成されていることを特徴とする。

上記適用例の物理量測定装置は、圧電材料からなる圧電基板で形成されていて、外部から作用する力に基づく圧電基板の振動を検出する用途に適用される。この場合、「振動」とは、外部から作用する力に基づいて圧電基板に生じる「振動や変位もしくは変形など」の全てを含む。上記構成の物理量測定装置によれば、振動モードにおける振動腕の屈曲振動や、外部から加わる振動による応力が最も大きく加わる部分である振動腕の基部との付け根近傍に括れ部が設けられている。これにより、振動モードおよび検出モードにおける振動腕の振動の変位が大きくなることによって検出感度が高まるので、物理量の検出精度の高い物理量測定装置を提供することができる。

〔適用例２〕上記適用例にかかる物理量測定装置において、前記括れ部が、前記圧電薄板と平面視で重なる領域に設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、外部から作用する振動による応力が最も大きく加わる部分に検出電極が設けられた圧電薄板が備えられることにより、検出信号を効率よく取り出すことができるので、検出精度の高い物理量測定装置を提供することができる。

〔適用例３〕上記適用例にかかる物理量測定装置において、前記括れ部が、前記圧電基板の対向する面の両方に設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、外部からの振動などによる振動腕の変位をさらに大きくすることができるので、物理量測定装置の検出精度をより顕著に向上させる効果を奏する。

以下、物理量測定装置としての振動ジャイロの一実施形態について図面を参照して説明する。
図１、図２、図３は、本実施形態の振動ジャイロを説明するものであり、図１は、後述する圧電薄板が設けられる表側からみた模式平面図、図２は、裏側からみた模式平面図、図３は、図１および図２のＡ−Ａ線断面を示す部分断面図である。なお、図１および図２において、励振電極などの電極部分に斜め線のハッチングを施しているが、これは、各部の構成をわかりやすくする便宜上施しているものであり、金属の断面を示すものではない。

図１に示すように、本実施形態の振動ジャイロ１は、圧電基板１０を加工することにより形成された基部１３と、基部１３の一端側から延出する二つの振動腕１１，１２と、を有している。各振動腕１１，１２それぞれの一方の主面（表側の面）上の基部１３との付け根部分近傍の領域には、圧電薄板５１，５２が接着固定されている。また、図２および図３に示すように、圧電基板１０の圧電薄板５１，５２が設けられた面と対向する面（裏側の面）の、圧電薄板５１，５２と平面視で重なる領域には括れ部２１，２２がそれぞれ形成されている。

圧電基板１０は、本実施形態では、水晶の単結晶から切り出されたものを使用する。この圧電基板１０を加工することにより形成される振動ジャイロ１の本体部分は、基部１３と、この基部１３の一端側（図において右端側）から二股に別れて互いに平行に延出する一対の振動腕１１，１２とを有し、所謂音叉状の外形に形成されている。
このような圧電基板１０の音叉状の外形、および、各振動腕１１，１２の基部１３との付け根部分近傍に設けられる括れ部２１，２２は、例えば水晶ウエハなどの圧電基板材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。

図１に示すように、振動腕１１，１２の一方の面（表側の面）には、駆動用の電極である励振電極１５ａ，１６ａがそれぞれ設けられている。また、基部１３の各振動腕１１，１２が延出された一端側と異なる他端側近傍には、外部との接続に供する外部接続電極１７ａ，１８ａが設けられている。これらの外部接続電極１７ａ，１８ａは、それぞれ励振電極１５ａ，１６ａと対応しており、本実施形態では、励振電極１５ａが引き回し配線により外部接続電極１８ａと接続され、励振電極１６ａが引き回し配線により外部接続電極１７ａに接続されている。
同様に、図２に示すように、振動腕１１，１２の他方の面（裏側の面）の主面には、励振電極１５ｂ，１６ｂがそれぞれ設けられ、基部１３には外部接続電極１７ｂ，１８ｂが設けられている。本実施形態では、励振電極１５ｂが引き回し配線により外部接続電極１８ｂと接続され、励振電極１６ｂが引き回し配線により外部接続電極１７ｂに接続されている。
これらの電極や配線は、水晶をエッチングして振動ジャイロ１の外形を形成した後で、例えば、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）を下地層として、その上に、蒸着またはスパッタリングにより例えば金（Ａｕ）による電極層を成膜し、その後フォトリソグラフィを用いてパターニングすることにより形成することができる。

図３に示すように、振動腕１１の基部１３との付け根部近傍には、薄い平板状の圧電板５０上に検出電極５５が設けられた圧電薄板５１が、接着剤１００により接着・固定されている。これと同様に、振動腕１２の括れ部２２の凹底部分には圧電薄板５２が接着剤により接着・固定されている（図１を参照）。各圧電薄板５１，５２に設けられた検出電極５５は、上記の励振電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂおよび外部接続電極１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂと同様な方法で形成することができる。なお、各圧電薄板５１，５２に設けられた検出電極５５は、図示はしないが振動ジャイロ１の内部配線により外部に引き出されるようになっている。
なお、接着剤１００としては、熱硬化型の接着剤や紫外線硬化型の接着剤など、さまざまなタイプの接着剤を用いることができ、特に紫外線硬化型の接着剤は、硬化時の温度ストレスが殆どかからないので好ましい。また、各振動腕１１，１２の基部１３との付け根近傍に、励振電極とは絶縁された状態の検出用の電極端子をそれぞれ設ける構成とすれば、接着剤１００として導電性の接着剤を適用し、圧電薄板５１，５２をそれぞれ接着すると同時に、各検出電極５５と前記検出用の接続端子とを電気的に接続することが可能である。

図２に示すように、圧電基板１０の圧電薄板５１が設けられた面と対向する面の振動腕１１の基部１３との付け根近傍には、所定の幅にて圧電基板１０を所定の深さまで除去することにより形成された括れ部２１が設けられている。本実施形態では、括れ部２１が圧電薄板５１と平面視で重なる領域に、圧電薄板５１よりも狭い幅にて形成されている。
これと同様に、圧電基板１０の圧電薄板５２が設けられた面と対向する面の振動腕１２の基部１３との付け根近傍には括れ部２２が形成されている（図２を参照）。
ここで、括れ部２１，２２の所定の深さとは、振動ジャイロ１において、実用上の耐衝撃性を確保し、また、振動ジャイロ１の製造工程におけるハンドリング性を損なわないレベルの剛性を残すように設定される。

上記のように振動ジャイロ１に設けられた括れ部２１，２２は、振動ジャイロ１に駆動電圧を印加して駆動させて振動腕１１，１２を屈曲振動させた振動モードにおいて、駆動振動および外部の振動に伴う応力が最も大きく加わる箇所である各振動腕１１，１２の基部１３との付け根近傍にそれぞれ設けられている。すなわち、応力が大きく加わる部分の圧電基板１０の厚みが薄くなっているので、各振動腕１１，１２が変形しやすくなって振動の変位が大きくなる。これにより、振動ジャイロ１の駆動効率が向上するとともに、振動ジャイロ１が搭載された物体の振動に対する検出効率が向上するという効果を奏する。

図１において、振動ジャイロ１に、外部に接続された励振手段としての発振回路から励振電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂに駆動電圧を印加して、振動腕１１，１２を矢印Ｇの方向に沿って、所謂音叉振動させる。このときに、Ｙ方向の回りに回転角速度ωが作用すると、振動腕１１，１２は、Ｘ方向の振動の方向と回転角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリ力を受けて、ＹＺ平面に沿ってウオーク振動する。このウオーク振動により、圧電薄板５１，５２が圧縮力または伸張力を受け、その応力に基づく逆圧電現象によりより圧電薄板５１，５２上のそれぞれ設けられた検出電極５５（図３を参照）に電圧が生じる。この回転角速度ωに対応した電位を外部の角速度検出回路に出力することにより、振動ジャイロ１が搭載された物体の回転角速度ωを検知することができる。

上記実施形態の振動ジャイロ１によれば、振動モードにおける振動腕１１，１２の屈曲振動や、外部から振動ジャイロ１に加わる振動に伴って生じる応力が最も大きく加わる部分である振動腕１１，１２それぞれの基部１３との付け根近傍に圧電薄板５１，５２が設けられている。さらに、これらの括れ部２１，２２は、検出電極５５が設けられた圧電薄板５１，５２と平面視で重なる領域に形成されている。これにより、振動モードにおける振動腕１１，１２の振動の変位が大きくなり、また、検出信号を効率よく取り出すことができるので、物理量の検出精度の高い振動ジャイロ１を提供することができる。
また、圧電基板１０を部分的に薄くすることにより振動特性および検出特性の向上を図っていることにより、全体的に薄い圧電基板を用いて振動ジャイロを構成した場合に比して高い剛性が確保されるので、耐衝撃性や、製造工程におけるハンドリング性を損なうことなく振動ジャイロ１の検出精度の向上を図ることができる。

上記実施形態で説明した振動ジャイロ１は、以下の変形例として実施することも可能である。

（変形例）
上記実施形態では、各振動腕１１，１２の基部１３との付け根近傍において、圧電基板１０の圧電薄板５１，５２が設けられた面と対向する面に括れ部２１，２２を形成した。これに限らず、圧電基板１０の圧電薄板５１，５２が設けられた面側にも括れ部を設けることにより、検出精度をより向上させることが可能である。
図４は、圧電基板の対向する両面にそれぞれ括れ部を設けた構成の振動ジャイロを説明するものであり、図３と同じ断面を示す部分断面図である。なお、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。

図４において、振動ジャイロ６０は、上記実施形態の振動ジャイロ１と同様に、圧電基板７０を加工することにより形成された基部１３と、基部１３の一端側から延出する二つの振動腕とを有する音叉状の外形を有し、図中、二つの振動腕のうち一方の振動腕７１側の部分断面を示している。

振動ジャイロ６０において、圧電基板７０の一方の主面側の振動腕７１と基部１３との付け根部分近傍には、圧電板５０上に検出電極５５が設けられた圧電薄板５１が接着剤１００により接着・固定されている。圧電基板７０の圧電薄板５１と平面視で重なる領域の対向する両面には、括れ部６１，２１がそれぞれ形成されている。本変形例では、圧電基板７０の圧電薄板５１直下の面に括れ部６１が形成され、括れ部６１が形成された面と対向する面に括れ部２１が形成されている。
振動腕７１の括れ部６１が形成された主面には励振電極１５ａが設けられ、これと同一面の基部１３上には励振電極１５ａと対応する外部接続電極１７ａが設けられ、外部接続電極１７ａと励振電極１５ａとが引き回し配線（図示せず）により接続されている。
同様に、図示はしないが、基部１３から振動腕７１と平行に延出して設けられる他方の振動腕（図１、図２における振動腕１２）においても、その振動腕と基部１３との付け根近傍に圧電薄板（図１、図２における圧電薄板５２）が設けられ、圧電基板７０の圧電薄板と平面視で重なる領域の両面に、括れ部がそれぞれ形成されている。

上記した構成の振動ジャイロ６０によれば、圧電基板７０の振動腕７１と基部１３との付け根部近傍の対向する両面側に括れ部６１，２１がそれぞれ形成されていることにより、振動腕１１の振動モードにおける屈曲振動の変位がさらに大きくなる。これによって、より検出感度の高い振動ジャイロ６０を提供することができる。

以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態およびその変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態および変形例で説明した振動ジャイロ１，６０の括れ部２１，２２，６１は、圧電基板１０，７０の振動腕１１，１２，７１の基部１３との付け根部分近傍において、圧電薄板５１，５２とそれぞれ平面視で重なる位置に設ける構成とした。これに限らず、括れ部を、圧電基板１０，７０の圧電薄板が設けられた面と直交して対向する面の一方または両方に形成する構成としてもよい。

また、上記実施形態および変形例で説明した振動ジャイロ１，６０の本体部分を構成する圧電基板１０には水晶を用いたが、これに限定されない。水晶以外に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ほう酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウム、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）などの薄膜圧電材料を積層させて構成された圧電基板を用いることもできる。

また、上記実施形態および変形例では、励振電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂや外部接続電極１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ、あるいはそれらの引き回し電極、および圧電薄板５１，５２の検出電極５５などの各電極の形成用金属材料として、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）を下地層としてその上に蒸着またはスパッタリングにより、例えば金（Ａｕ）による電極層を成膜したものを用いる例を説明した。これに限定されず、例えば、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を用いることもできる。また、マグネシウム（Ｍｇ）などを用いることも可能である。

また、上記実施形態および変形例で説明した特定の形態、例えば、振動腕１１，１２，７１や基部１３の形状、および括れ部２１，２２，６１の形状は特に限定されない。例えば、上記実施形態および変形例では、基部１３に対して、一対の振動腕１１，１２，７１が設けられた振動ジャイロ１，６０について説明したが、これに限らず、例えば、基部１３を中心として、互いに反対方向に各一対、もしくは複数の数の振動腕が延出して設けられる構成の物理量測定装置に対しても、上記実施形態および変形例と同様の原理に基づいて適用することができる。
また、励振電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂや外部接続電極１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ、あるいはそれらの引き回し電極、および圧電薄板５１，５２の検出電極５５の位置や形状についても上記実施形態および変形例の形態に限定されない。

また、上記実施形態および変形例では、物理量測定装置としての振動ジャイロ１，６０について説明した。これに限らず、本発明は、圧電基板を所望の形状に加工して形成されていて、外部から作用する物理量の影響によって圧電基板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検出する物理量測定装置を対象とする。こうした物理量としては、圧電振動片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、物理量測定装置としては慣性センサーが好ましい。

振動ジャイロの一実施形態を表側からみた模式平面図。 振動ジャイロを裏側からみた模式平面図。 振動ジャイロの図１および図２のＡ−Ａ線断面を示す部分断面図。 振動ジャイロの変形例を説明する部分断面図。

符号の説明

１，６０…物理量測定装置としての振動ジャイロ、１０，７０…圧電基板、１１，１２，７１…振動腕、１３…基部、１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ…励振電極、１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ…外部接続電極、２１，２２，６１…括れ部、５０…圧電薄板の基材としての圧電板、５１，５２…圧電薄板、５５…検出電極、１００…接着剤。

Claims (3)

1. 圧電基板を加工することにより形成された基部と、前記基部から延出する複数の振動腕とを有し、前記振動腕には励振電極が設けられ、前記圧電基板上に、表面に検出電極が設けられた圧電薄板が接合されてなり、外部から作用する力により前記振動腕に生じる振動を前記圧電薄板を用いて検出する物理量測定装置であって、
   前記圧電基板の、前記振動腕と前記基部との付け根の近傍に括れ部が形成されていることを特徴とする物理量測定装置。
2. 請求項１に記載の物理量測定装置において、
   前記括れ部が、前記圧電薄板と平面視で重なる領域に設けられていることを特徴とする物理量測定装置。
3. 請求項１または２に記載の物理量測定装置において、
   前記括れ部が、前記圧電基板の対向する面の両方に設けられていることを特徴とする物理量測定装置。

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