JP2011127945A - 圧電振動素子および圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸を振動子の面内に有しながら、振動漏れの少ない精度の高い角速度センサーを提供する。
【解決手段】角速度により生ずるコリオリ力に応じた圧電効果により回転運動を検出する圧電振動素子であって、両端に支持部を備え、捩れ振動モードで振動する梁と、前記梁の捩れ振動中心軸に対して直交して延出し回転運動を検出する１以上の検出腕と、を備え、前記梁の梁側辺と前記検出腕の腕側辺との交接部と、前記梁側辺の一部と、前記腕側辺の一部とを含み、前記検出腕を残して延在する調整部を備える圧電振動素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動素子および圧電振動子に関する。

回転角速度を検出する角速度センサーは、ナビゲーションシステム、各種装置の姿勢制御システム、ビデオカメラやデジタルカメラの手振れ防止装置等、広範囲に採用されている。これら電子機器においては小型化が可能な圧電振動素子センサーが多用されている。

従来、圧電振動素子の角速度センサーとして、駆動振動する振動手段と、回転によって発生する検出振動を検出する検出手段を備える振動子であって、振動子は複数の振動系が回転軸Ｚに対して交差する所定面内に伸びるように形成されているＺ軸回転系の角速度を検出する角速度センサーが知られている（特許文献１参照）

しかし、特許文献１の角速度センサーでは、垂直な回転軸、すなわちＺ軸回転系の振動成分の検出が可能なセンサーであり、複数の検出軸を要求するような機器に対してはセンサーを立てて実装する必要があり、センサーデバイスとしては大型のものになってしまう。

そこで、振動子面に対して平行な回転軸を検出する角速度センサーとして、回転軸に交差する捻れ中心軸周りに捩れ振動モードで駆動する駆動部に連設した検出部を捩り回転振動させ、回転運動によるコリオリ力によって生じる検出部の横屈曲振動を検出し、角速度を検出する角速度センサーが知られている（特許文献２参照）。

特開平１１−２８１３７２号公報 特開２００７−２１２３５５号公報

しかし、上述の特許文献２による角速度センサーであっても、捩れ振動により端部に備えた検出腕をＺ方向に振動させるために、振動子の寸法精度、いわゆる加工ばらつきによって、振動漏れが発生し角速度に基づかない信号を出力することによる検出精度の低下を起こすものであった。

そこで、回転軸を振動子の面内に有しながら、振動漏れの少ない精度の高い角速度センサーを提供する。

本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。

〔適用例１〕本適用例の圧電振動素子は、角速度により生ずるコリオリ力に応じた圧電効果により回転運動を検出する圧電振動素子であって、両端に支持部を備え、捩れ振動モードで振動する梁と、前記梁の伸長方向に対して直交して延出し回転運動を検出する１以上の検出腕と、を備え、前記梁と前記検出腕の腕側辺との交差部には、前記梁の側面の一部と、前記検出腕の側面の一部とを含んで延在する調整部を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、捩れ振動する梁から延出した検出腕には面外方向の屈曲振動が与えられる。この検出腕に回転運動、すなわち角速度が加わり生じるコリオリ力により面内振動が発生する。しかし、検出腕自体には励振部材は備えていないため、製造能力（ばらつき）によって生じる検出腕断面形状におけるずれを原因とする機械結合を発生させない。すなわち、回転角速度がかからない状態で、検出腕は正確に角速度＝０を出力することができる。したがって、より正確な角速度検出をすることができる。

更に、調整部を捩り振動梁と検出腕との付け根部に延在させることで、更に機械結合により発生する検出信号の誤差を、なお一層小さく調整することを可能とする。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記調整部に金属膜が形成され、前記金属膜の一部を除去することで調整することを特徴とする。

上述の適用例によれば、レーザー照射などの従来技術・装置によって容易に調整することができ、新たな設備開発を必要とせず、低コスト高信頼性の圧電振動素子を得ることができる。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記調整部の前記圧電振動素子の基材の一部を除去することで調整することを特徴とする。

上述の適用例によれば、より低コストで圧電振動素子を得ることができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記圧電振動素子の基材が水晶であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、温度特性に優れた小型・薄型の圧電振動素子を得ることができる。

〔適用例５〕上述の適用例による圧電振動素子を実装した圧電振動子。

上述の適用例によれば、薄型の面内方向に回転軸を持つ回転を検出する角速度センサーとなる圧電振動子を得ることができる。

本実施形態の圧電振動素子を示す斜視図。 本実施形態の圧電振動素子の動作を説明する斜視図。 本実施形態の圧電振動素子の動作を説明する斜視図。 本実施形態の圧電振動素子の電極膜の構成を説明する平面図および部分断面図。 本実施形態の製造工程を示すフローチャート。 本実施形態の製造方法を示す概略断面図。 他の実施形態の圧電振動素子を示す斜視図。 他の実施形態の圧電振動素子の動作を説明する斜視図。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して、本発明に係る第１の実施形態を説明する。

図１は本実施形態の圧電振動素子を示す概略斜視図である。圧電振動素子１００は圧電材料により形成されるが、本実施形態では水晶基板から形成される圧電振動素子１００により説明する。圧電振動素子１００は水晶基板の電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸および光学軸と呼ばれるＺ軸のうち、Ｘ軸とＹ軸とを平面方向に切り出したＺカットの基板から形成されている。

圧電振動素子１００はＸ軸方向に延在し両端に支持部２１、２２を備える駆動梁１０と、駆動梁１０の中央に交差しＹ軸方向に延出する検出腕３０とを備えている。更に、駆動梁１０と検出腕３０との交差部には駆動梁１０および検出腕３０の側面１０ａ、３０ａを含んで延在する調整部４１、４２、４３、４４を備えている。調整部４１、４２、４３、４４の平面部には、機械結合による微弱な振動漏れを微調整するための調整部材５１、５２、５３、５４が備えられている。なお、図示されないが図面上の裏面にも、調整部材が備えられていても良い。

調整部材５１、５２、５３、５４は金属膜により構成されており、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｗなどをスパッタリング、ＣＶＤ等の方法により調整部４１、４２、４３、４４上に形成される。また、調整部材５１、５２、５３、５４を形成せずに調整部４１、４２、４３、４４を構成している基板の一部を除去することで、調整することも可能である。

次に図２及び図３に基づき、圧電振動素子１００の動作を説明する。圧電振動素子１００は、検出腕３０の延在方向であるＹ軸を中心として回転する角速度ωを検出するジャイロセンサー素子である。

駆動梁１０はＸ軸方向に捩り中心軸を持つ捩り振動モードを励振される。すなわち、図２の捩り方向Ａと図３の捩り方向Ｂを繰り返す振動モードで駆動されている。捩り振動モードで駆動されている駆動梁１０に交差して延在する検出腕３０は、図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す検出腕３０のＬ−Ｌ’断面図に示すように、検出腕３０の先端部は矢印方向に振れて、実質的にＺ軸方向に屈曲振動する。いわゆるＸ−Ｙ面に対する面外振動する振動腕となっている。

ここに、Ｙ軸方向を回転軸とする回転運動による角速度ωが負荷されると、検出腕３０にはコリオリ力により図２（ａ）、図３（ａ）に示すｒ方向の振動、いわゆる面内屈曲振動が発生する。検出腕３０におけるｒ方向の面内振動を検出し、得られた信号から角速度ωを演算する。

検出腕３０は、上述の通り検出腕３０自体には励振させる手段（励振電極）を備えず、駆動梁１０の捩り振動により駆動されていることで、検出腕３０の駆動振動に対する検出腕３０の断面形状におけるずれを原因とする機械結合はきわめて小さい。したがって、角速度ωの検出に対してノイズの少ない信号を検出腕３０より得ることができるため、検出精度の高いジャイロセンサーを実現することができる。

しかし、上述の実施形態において極わずかな機械結合であっても、高い要求性能（検出能力）に対して実現するために、限りなく機械結合を零にすることが望まれる。そこで、調整部４１、４２、４３、４４または調整部４１、４２、４３、４４に配置した調整部材５１、５２、５３、５４を部分的に除去、もしくは微量質量材を付加しながら離調調整し、センサー感度の精度を高めることができる。

調整方法としては、レーザー照射によって調整部４１、４２、４３、４４または調整部４１、４２、４３、４４に配置した調整部材５１、５２、５３、５４を部分的に除去することが好ましい。レーザー照射は出力調整が容易であることから、調整部４１、４２、４３、４４または調整部４１、４２、４３、４４に配置した調整部材５１、５２、５３、５４の除去量の制御が簡単に且つ正確に行うことができる。

また、圧電振動素子１００が水晶から形成されている本実施形態の場合、図示された圧電振動素子１００の裏面側の調整部４１、４２、４３、４４に配置した調整部材５１、５２、５３、５４に対して、図示されている表面からも、透明な水晶を透過してレーザーを照射することが可能である。したがって、圧電振動素子１００のどちらか一方の面側からだけのレーザー照射によって、表裏両面に備える調整部４１、４２、４３、４４に配置した調整部材５１、５２、５３、５４を調整除去することができ、工程削減が図られコストダウンを可能とするものである。

次に、上述の圧電振動素子１００に形成されている電極膜について、電極膜の配置を模式的に示す図４により説明する。図４（ａ）に示す圧電振動素子１００の模式的斜視図において、矢印Ｓ方向（以後、表面という）からの矢視図を図４（ｂ）に、矢印Ｔ方向（以後、裏面という）からの矢視図を図４（ｃ）に示す。なお、図４（ｂ）（ｃ）において電極膜には斜線ハッチングを施してある。

駆動梁１０は、表面に表面駆動用電極６１ａ、６２ａと、裏面に裏面駆動用電極６１ｂ、６２ｂとが配置されている。表面駆動用電極６１ａと裏面駆動用電極６１ｂとは配線６１ｃによって接続され、接続電極６１ｄに接続されている。また、表面駆動用電極６２ａと裏面駆動用電極６２ｂとは配線６２ｃによって接続され、接続電極６２ｄに接続されている。

検出腕３０は、表面に表面検出用電極７１ａ、７２ａと、裏面に裏面検出用電極７１ｂ、７２ｂと、検出腕３０の側面には側面検出用電極７１ｃ、７２ｃと、が配置されている。表面検出用電極７１ａと、裏面検出用電極７１ｂとは配線７１ｄによって接続され、接続電極７１ｅに接続される。側面検出用電極７１ｃは配線７１ｆによって接続され、接続電極７１ｇに接続される。また、表面検出用電極７２ａと、裏面検出用電極７２ｂとは配線７２ｄによって接続され、接続電極７２ｅに接続される。側面検出用電極７２ｃは配線７２ｆによって接続され、接続電極７２ｇに接続される。

配線７１ｄ、７１ｆ、７２ｄ、７２ｆは、上述の表面駆動用電極６１ａ、６２ａ、裏面駆動用電極６１ｂ、６２ｂおよび配線６１ｃ、６２ｃと交差させないために、図示のように多くを圧電振動素子の側面に設けている。

次に、上述の実施形態の圧電振動素子１００を用いた圧電振動子である角速度センサーの製造方法について説明する。図５は角速度センサーの製造工程を示すフローチャート、図６は角速度センサーの製造方法を示す断面図である。

（圧電振動素子形成工程）
まず、圧電振動素子形成工程（Ｓ１０１）にて図６（ａ）に示す平面形状の圧電振動素子１００を形成する。圧電振動素子１００は水晶基板からフォトリソグラフィー、エッチングにより外形状を形成する。外形形成された水晶片に蒸着、スパッタリングあるいはＣＤＶ等の方法によって表面に電極となるＡｕ膜を成膜し、フォトリソグラフィー、エッチングにより図４に示す電極膜を形成する。なお、電極膜材料としてはＣｕ、Ａｇ、Ｗ等も適用可能である。

また、調整部材５１、５２、５３、５４は、調整部４１、４２、４３、４４上に電極膜形成と同時に、電極膜材料と同じ材料で形成しても良い。

（圧電振動素子実装工程）
次に圧電振動素子実装工程（Ｓ１０２）に移行する。圧電振動素子１００を図６（ｂ）に示すように、パッケージ２００内部に形成された載置部２１１、２１２に圧電振動素子１００を図示しない圧電振動素子１００の一方の面上に形成された接続電極をパッケージ２００の開口側に向けて支持部２１、２２を載置し、接着剤２２１、２２２により圧電振動素子１００をパッケージ２００に固着する。

次に圧電振動素子１００の接続電極と載置部２１１、２１２に設けた電極２３１、２３２とを導電ワイヤー２４１、２４２によって電気的に接続する、いわゆるワイヤーボンディングを行う。電極２３１、２３２からは図示しない配線によってパッケージ２００の外部に形成した外部接続電極２５１、２５２に繋がっている。

（離調工程）
続いて、離調工程（Ｓ１０３）に移行する。離調工程（Ｓ１０３）では、実装した状態で圧電振動素子１００の離調を行う。離調は駆動振動の周波数と検出振動の周波数を所望の値だけ離して調整することであり、駆動周波数に影響を受けずに角速度の検出精度を向上させることができる。

離調は、図６（ｃ）に示すように、圧電振動素子１００の調整部４１、４２、４３、４４にＡｕ膜で形成した調整部材５１、５２、５３、５４に図示しないレーザー装置からＹＡＧレーザーなどのレーザー光３００を照射して、調整部材５１、５２、５３、５４の一部を除去して行う。検出腕３０における検出振動（屈曲振動および捩れ振動）の周波数はあらかじめ調整部材５１、５２、５３、５４を付加することで所望の周波数より低く設定されている。ここで、レーザー光を照射して調整部材５１、５２、５３、５４の一部を除去することで、調整部４１、４２、４３、４４の質量が減り、検出腕３０の検出振動の周波数が高くなる方向で調整を行う。調整部材５１、５２、５３、５４を除去する方法としては、ＹＡＧレーザーの他に電子ビーム、逆スパッタリングなどの手法を用いることができる。

また、圧電振動素子１００が透明な水晶基板であるため、圧電振動素子１００の裏面、すなわちパッケージ２００の載置部２１１、２１２側になる面に形成された調整部材５１、５２、５３、５４に対しても、水晶基板を透過してレーザー光を照射することが可能となる。これにより、離調範囲を広くすることができるので、生産性、歩留まりの向上が可能となる。なお、離調を行う前に真空アニールなどの熱処理を行っても良い。このようにすれば、後段の工程において熱などの影響で離調した周波数がずれにくくなり、精度の良い離調を維持することができる。また、圧電振動素子の状態で離調を行うことは可能であるが、圧電振動素子と支持部材との接合などにおいて、周波数がずれることがあり、少なくとも圧電振動素子と支持部材とを接合した以降に離調を行うことが好ましい。

上述の実施形態では調整部材５１、５２、５３、５４としてＡｕ膜を形成したが、調整部材を形成せずに、直接調整部４１、４２、４３、４４の水晶基板を部分的に除去することで離調することも可能である。

次に、封止工程（Ｓ１０４）に移行する。封止工程（Ｓ１０４）において、圧電振動素子１００を実装したパッケージ２００の内部を気密に封止する。図６（ｄ）に示すように、パッケージ２００の上面に配置した蓋体４００がコバールなどの金属の場合、蓋体４００とパッケージ２００の接合部をシーム溶接してパッケージ２００内部を不活性雰囲気または減圧雰囲気で気密に封止する。また、蓋体４００に透明ガラスを用いた場合、蓋体４００とパッケージ２００の接合面２１３に低融点ガラスを配置して低融点ガラスの溶融による接合を行い、パッケージ２００内部を不活性雰囲気または減圧雰囲気で気密に封止する。このようにして角速度センサー５００が完成する。

なお、蓋体４００に透明ガラスを用いた場合、レーザー光が蓋体４００を透過して調整部材５１、５２、５３、５４に照射して加工することができるため、封止工程の後で離調工程を実施することが可能である。

〔第２実施形態〕
圧電振動素子が、複数の検出腕を備えた実施形態について説明する。図７は検出腕を２本備える圧電振動素子であり、第１実施例同様にＺカットの水晶基板から形成されている。圧電振動素子６００は、両端に支持部６２１、６２２を備えＸ軸方向に延在する駆動梁６１０と、駆動梁６１０に直交しＹ軸方向に延出する２本の検出腕６３１、６３２を備えている。

駆動梁６１０と検出腕６３１、６３２の交差部には第１実施形態同様に調整部６４１、６４２、６４３、６４４、６４５、６４６、６４７、６４８が設けられ、各調整部には調整部材６５１、６５２、６５３、６５４、６５５、６５６、６５７、６５８が設けられている。

駆動梁６１０は、図７に示すように、支持部６２１と連接する第１駆動梁６１０ａ、支持部６２２と連接する第２駆動梁６１０ｂ、検出腕６３１と検出腕６３２の間に連接する連接部６１０ｃから構成されている。圧電振動素子６００の動作を図８（ａ）（ｂ）に示す。第１駆動梁６１０ａと第２駆動梁６１０ｂは互いに捩れ回転方向を逆方向となる異相捩れ振動モード、すなわち図８（ａ）では第１駆動梁６１０ａがＡ方向、第２駆動梁６１０ｂがＡ方向とは逆のＢ方向に、図８（ｂ）では第１駆動梁６１０ａがＢ方向、第２駆動梁６１０ｂがＢ方向とは逆のＡ方向に捩れ駆動し、図８（ａ）（ｂ）が交互に駆動する捩れ振動モードが与えられている。

この時、連接部６１０ｃは駆動のための電極配線は備えられてなく、捩り振動は発生しない梁となっている。このようにして、駆動梁６１０の捩り振動モードは、検出腕６３１、６３２が互いに逆相の面外振動となる屈曲振動となる。すなわち、図８（ａ）（ｂ）に示すように、検出腕６３１、６３２の先端部に付した矢印方向の逆相振動している。

上述のように駆動する圧電振動素子６００に対してＹ方向に回転軸を持つ角速度ωが負荷された場合、第１実施形態同様に検出腕６３１、６３２にはコリオリ力によって面内屈曲振動が発生し、この面内屈曲振動を検出して角速度ωを演算する。

この時、駆動梁６１０に第２実施形態のように２本の検出腕６３１、６３２を備えた場合、２本の検出腕６３１、６３２が逆相に振動することによって、駆動梁６１０を回転軸とする捩れモーメントが打ち消され、支持部６２１、６２２での回転運動が抑制される。従って、パッケージに固定される支持部６２１、６２２を通して捩れ振動がパッケージに伝達することを抑制でき、角速度センサーの感度を高めることができる。

１０…駆動梁、２１，２２…支持部、３０…検出腕、４１，４２，４３，４４…調整部、５１，５２，５３，５４…調整部材。

Claims (5)

1. 角速度により生ずるコリオリ力に応じた圧電効果により回転運動を検出する圧電振動素子であって、
   両端に支持部を備え、捩れ振動モードで振動する梁と、
   前記梁の伸長方向に対して直交して延出し回転運動を検出する１以上の検出腕と、を備え、
   前記梁と前記検出腕の腕側辺との交差部には、前記梁の側面の一部と、前記検出腕の側面の一部とを含んで延在する調整部を備える、
   ことを特徴とする圧電振動素子。
2. 前記調整部に金属膜が形成され、前記金属膜の一部を除去することで調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
3. 前記調整部の前記圧電振動素子の基材の一部を除去することで調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
4. 前記圧電振動素子の基材が水晶であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電振動素子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電振動素子を実装した圧電振動子。

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