JP7223371B2 - vibrating gyro - Google Patents
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Description
本発明は振動ジャイロに関し、詳しくは、縮退モードのワイングラス振動あるいは円環広がり振動で駆動、検出する振動ジャイロに関する。
BACKGROUND OF THE
近年、自動車の自動運転や鉄道の自動操舵台車といった技術が注目されている。これらの制御には、自車の姿勢を高精度でセンシング可能な角速度センサ（ジャイロスコープ、以下、「ジャイロ」という。）が必要不可欠である。このような用途には、従来、バイアス安定性が０．０１～１°／ｈ程度を実現する光ファイバージャイロやリングレーザージャイロ等の光学式が用いられているが、非常に高価である。そこで、バイアス安定性が１０～１，０００°／ｈ程度で比較的安価なＭＥＭＳ振動ジャイロの高性能化が期待されている。 In recent years, technologies such as automatic driving of automobiles and automatic steering bogies of railways have been attracting attention. These controls require an angular velocity sensor (gyroscope, hereinafter referred to as "gyro") capable of sensing the attitude of the vehicle with high accuracy. For such applications, optical systems such as optical fiber gyros and ring laser gyros that achieve a bias stability of about 0.01 to 1°/h have been used, but they are very expensive. Therefore, it is expected to improve the performance of relatively inexpensive MEMS vibration gyros with a bias stability of about 10 to 1,000°/h.
ＭＥＭＳ振動ジャイロの駆動検出方式には静電型や圧電型があり、その性能は電気機械結合係数、Ｑ値ともに高いほど良い。高いＱ値が期待できる単結晶材料が利用可能な静電型や水晶を用いた圧電型は、結合係数が低い。一方で、高い結合係数を有するチタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」という。）などのペロブスカイト型圧電材料は、多結晶であるため、Ｑ値が数１００程度と低い。 MEMS vibration gyro drive detection methods include an electrostatic type and a piezoelectric type, and the higher the electromechanical coupling coefficient and the Q value, the better the performance. The coupling coefficient is low in the electrostatic type that can use a single crystal material that can be expected to have a high Q value and the piezoelectric type that uses crystal. On the other hand, perovskite-type piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (hereinafter referred to as “PZT”), which has a high coupling coefficient, are polycrystalline and therefore have a Q value as low as several hundred.
そこで高い結合係数と、１０，０００以上の高いＱ値とを兼ね備えたイルメナイト型単結晶圧電材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、以下、「ＬＮ」という。）を用いた音叉型振動ジャイロが開発されている。しかし，脆性材料であるＬＮは機械加工が困難であり、エッチング耐性も非常に高いため、設計自由度が低く、その性能は頭打ちになっている。 Therefore, a tuning-fork vibration gyro was developed using lithium niobate (LiNbO 3 , hereinafter referred to as “LN”), which is an ilmenite-type single-crystal piezoelectric material that has both a high coupling coefficient and a high Q value of 10,000 or more. It is However, since LN, which is a brittle material, is difficult to machine and has a very high etching resistance, the degree of freedom in design is low, and its performance has reached a ceiling.
ＭＥＭＳ振動ジャイロには音叉型の他に、プレート型やリング・ディスク型がある。これらでは、駆動振動と検出振動の共振周波数を一致させ、縮退モードで駆動、検出し、駆動、検出周波数を低くすることで高性能化が可能であり、対称構造にすることで他軸感度の低減も可能である。現在、静電プレート型や静電リング型が報告されており、バイアス安定性は０．１°／ｈ台を実現している。 MEMS vibrating gyros include a plate type and a ring/disk type in addition to the tuning fork type. In these, it is possible to improve the performance by matching the resonance frequency of the drive vibration and the detection vibration, drive and detect in the degenerate mode, and lower the drive and detection frequencies. A reduction is also possible. At present, an electrostatic plate type and an electrostatic ring type have been reported, and a bias stability of the order of 0.1°/h has been achieved.
例えば図２４は、ＰＺＴの多結晶圧電セラミックのディスク型振動ジャイロの断面図である。図２４に示すように、ディスク型の圧電基板１０１の主面１０３に、円周方向に８分割された電極１０５～１１２が形成されている。振動回路及び能動ゲイン制御システム１１７の一方の端子Ｔ１に、互いに対向する電極１０５，１０６が接続され、他方の端子Ｔ２に互いに対向する電極１０７，１０８が接続されている。また、フィードバックシステム１８の一方の端子Ｔ３に、互いに対向する電極１０９，１１０が接続され、他方の端子Ｔ４に互いに対向する電極１１１，１１２が接続されている。電極１０５，１０６と電極１０７，１０８とによって逆位相の電界を厚み方向に印加して圧電基板１０１を駆動し、電極１０９，１１０と電極１１１，１１２との電荷を検出する（例えば、特許文献１参照）。
For example, FIG. 24 is a cross-sectional view of a PZT polycrystalline piezoelectric ceramic disk type vibrating gyro. As shown in FIG. 24,
図２５は、単結晶圧電材料の音叉型ジャイロの斜視図である。図２５に示すように、この音叉型ジャイロは、アームの内側と外側、アームの表面と裏面において、駆動電極及び／または検出電極を非対称に形成して、不正振動と漏れ出力とを少なくするように構成されている。すなわち、一方のアーム２０２の表裏面の内側に設ける駆動電極２１１は、その表裏面の外側に設ける駆動電極２１３より小さい。他方のアーム２０３の外側側面に設ける検出電極２２４の長さは、符号ｘで示す寸法分が短い。アーム２０２の表裏面に設ける駆動電極２１１，２１３は、アーム２０２とベース２０４との境界位置からベース２０４側に、符号ｆで示す寸法分だけ延在する。アーム２０３の表裏面に設ける検出電極２２１は、アーム２０３とベース２０４との境界位置からベース２０４側に、符号ｇで示す寸法分だけ延在する（例えば、特許文献２参照）。
FIG. 25 is a perspective view of a tuning-fork gyro made of single crystal piezoelectric material. As shown in FIG. 25, this tuning fork type gyro has drive electrodes and/or detection electrodes formed asymmetrically on the inside and outside of the arm and on the front and back surfaces of the arm to reduce irregular vibration and leakage output. is configured to That is, the
特許文献１の振動ジャイロは、ＰＺＴセラミック板１０７に用いるＰＺＴが多結晶であるため、結晶粒界や方位のばらつきに起因する機械的損失が大きい。特許文献２のジャイロ２１０は、高い加工精度が必要である。また、常に面外（検出）振動への漏れ振動が高精度化への課題になる。
In the vibrating gyro disclosed in
前述したように、逆圧電効果を駆動、圧電効果を検出に用いる方式の振動ジャイロは、一般に電気機械結合係数が高いので、高性能化に最も適している。また、単結晶材料は、多結晶材料に比べ、材料内部の損失が小さいため、高い振動Q値が期待できる。このため、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロが求められる。 As described above, the vibrating gyroscope that uses the inverse piezoelectric effect for driving and the piezoelectric effect for detection generally has a high electromechanical coupling coefficient, and is most suitable for high performance. In addition, since single-crystal materials have less internal loss than polycrystalline materials, a high vibration Q value can be expected. Therefore, a vibrating gyroscope using a single crystal piezoelectric material is desired.
ジャイロの構造については音叉型やディスク型、半球型などがあるが、ジャイロの高性能化のためには、構造の対称性が高く中央で支持が可能なディスク型、半球型が好ましい。また、高性能化には、駆動方式として輪郭振動モードが好ましい。 Gyro structures include a tuning fork type, a disc type, and a hemispherical type, but in order to improve the performance of the gyro, the disc type and hemispherical type, which have high structural symmetry and can be supported at the center, are preferable. For high performance, the contour vibration mode is preferable as the driving method.
従来、静電容量検出型の単結晶シリコンのディスク構造、石英による半球、ドーナツ形状のデバイスが検討されている。しかしながら、静電容量検出は電気機械結合係数が小さいという課題がある。 Conventionally, capacitive sensing type single-crystal silicon disc structures, quartz hemispheres, and doughnut-shaped devices have been studied. However, capacitance detection has a problem that the electromechanical coupling coefficient is small.
単結晶圧電材料を用いたディスク型、半球型ジャイロは、これまで実現されていない。その理由は、単結晶材料の持つ物性（剛性，圧電特性など）の結晶異方性が課題となるからである。高い性能を得るためには、構造だけでなく、物性の非対称性が問題となる。 Disk-type and hemispherical-type gyros using single-crystal piezoelectric materials have not been realized so far. The reason for this is that the crystal anisotropy of the physical properties (rigidity, piezoelectric properties, etc.) of single crystal materials poses a problem. In order to obtain high performance, not only the structure but also the asymmetry of physical properties are important.
かかる実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロを提供することである。 In view of such circumstances, the problem to be solved by the present invention is to provide a vibrating gyroscope using a single crystal piezoelectric material.
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した振動ジャイロを提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a vibrating gyroscope configured as follows.
振動ジャイロは、縮退モードのワイングラス振動あるいは円環広がり振動で駆動、検出する振動ジャイロであって、（ａ）互いに対向する一対の主面を有する圧電基板と、（ｂ）前記圧電基板を、前記主面に平行かつ互いに直交する２つの駆動軸の方向に振動させる電界を前記圧電基板に印加するための駆動用電極と、（ｃ）前記圧電基板の、前記駆動軸の間を等分する２つの検出軸の方向の振動によって前記圧電基板に励起される電荷を検出するための検出用電極と、を備える。前記圧電基板は、三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶の圧電材料からなり、前記単結晶の結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのうちＺ軸が分極方向であり、前記結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚによる結晶ＸＹＺ座標系を右手系オイラー角の定義に従って、前記Z軸周りに角度ψ回転したＸ'Ｙ'Ｚ'座標系を、さらにＸ'軸周りに角度θ回転したＸ''Ｙ''Ｚ''座標が前記圧電基板のウエハ座標系であるとすると、２つの前記駆動軸と２つの前記検出軸とのうち一方は、Ｘ''軸又はＹ''軸に平行であり、２つの前記駆動軸と２つの前記検出軸とのうち他方は、前記Ｘ''軸及び前記Ｙ''軸の間を等分する２つの直線のうち一方又は他方に平行であり、前記圧電基板の前記主面方向の弾性コンプライアンスが前記主面内の方位によらず略一定である。 The vibrating gyro is a vibrating gyro that is driven and detected by degenerate mode wine glass vibration or annular spreading vibration, and comprises (a) a piezoelectric substrate having a pair of main surfaces facing each other, and (b) the piezoelectric substrate, (c) a driving electrode for applying an electric field to the piezoelectric substrate for vibrating in directions of two driving axes parallel to the main surface and perpendicular to each other; and (c) equally dividing the piezoelectric substrate between the driving axes detection electrodes for detecting charge excited in the piezoelectric substrate by vibration in the directions of two detection axes. The piezoelectric substrate is made of a single-crystal piezoelectric material classified into a point group 3m of a trigonal system. According to the definition of right-handed Euler angles, the X'Y'Z' coordinate system obtained by rotating the X'Y'Z' coordinate system about the Z axis by an angle .psi. is further rotated by an angle .theta. If the ''Z'' coordinate is the wafer coordinate system of the piezoelectric substrate, one of the two drive axes and the two detection axes is parallel to the X'' axis or the Y'' axis, The other of the two drive axes and the two detection axes is parallel to one or the other of two straight lines equally dividing between the X″ axis and the Y″ axis, and the piezoelectric substrate is substantially constant regardless of the orientation within the principal plane.
上記構成において、駆動用電極を用いて圧電基板に電界を印加して、圧電基板を駆動軸の方向に縮退モードで振動させ、検出軸の方向の縮退モードの振動で励起される電荷を検出用電極を用いて検出する。 In the above configuration, an electric field is applied to the piezoelectric substrate using the drive electrode to vibrate the piezoelectric substrate in the degenerate mode in the direction of the drive axis, and the electric charge excited by the vibration in the degenerate mode in the direction of the detection axis is used for detection. Detect using electrodes.
上記構成によれば、圧電基板は略等方であるので、機械特性が、動作モードに対応した方位で実質的に一定値であり、縮退モードで駆動し検出する振動ジャイロを構成することができる。 According to the above configuration, since the piezoelectric substrate is substantially isotropic, the mechanical characteristics are substantially constant in the orientation corresponding to the operation mode, and a vibrating gyroscope driven and detected in the degenerate mode can be configured. .
なお、「前記圧電基板の前記主面方向の弾性コンプライアンスが前記主面内の方位によらず略一定である」とは、圧電基板の主面方向の弾性コンプライアンスの主面内の方位による差が実質的に無視できる程度であることを意味し、後述する変動係数C.V.(ψ，θ)が１％未満である場合をいう。 It should be noted that "the elastic compliance of the piezoelectric substrate in the principal plane direction is substantially constant regardless of the orientation within the principal plane" means that the elastic compliance in the principal plane direction of the piezoelectric substrate does not differ depending on the orientation within the principal plane. It means that it is substantially negligible, and refers to the case where the coefficient of variation CV (ψ, θ), which will be described later, is less than 1%.
好ましくは、前記圧電基板は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）の単結晶からなり、－４°＜ψ＜４°、かつ、６３°＜θ＜６７°である。 Preferably, the piezoelectric substrate is made of a single crystal of lithium niobate (LN), and satisfies −4°<ψ<4° and 63°<θ<67°.
この圧電基板の場合、弾性コンプライアンスの主面内における変動係数C.V.(ψ，θ)が１％未満である。 In the case of this piezoelectric substrate, the coefficient of variation C.V.(ψ, θ) in the principal plane of the elastic compliance is less than 1%.
好ましくは、前記圧電基板は、カット角が１５５°以上、かつ１５６°以下のＹカット板である。 Preferably, the piezoelectric substrate is a Y-cut plate with a cut angle of 155° or more and 156° or less.
この場合、前記変動係数がほぼ0であり、駆動軸、検出軸方向の共振周波数が概略一致する。 In this case, the coefficient of variation is approximately 0, and the resonance frequencies in the directions of the drive axis and the detection axis are approximately the same.
上述したように、圧電基板は、２つの駆動軸及び２つの検出軸それぞれを中心として線対称な形状である。 As described above, the piezoelectric substrate has a line-symmetrical shape centering on the two drive axes and the two detection axes.
好ましくは、前記圧電基板の形状は、円形又は正多角形である。 Preferably, the shape of the piezoelectric substrate is circular or regular polygonal.
この場合、圧電基板の加工が容易である。 In this case, it is easy to process the piezoelectric substrate.
好ましい一態様において、前記駆動用電極又は前記検出用電極は、２つの前記駆動軸及び２つの前記検出軸それぞれを含み前記圧電基板の前記主面に垂直である４つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の８つの領域のうち、前記Ｘ''軸及び前記Ｙ''軸の間を等分する前記直線に平行である前記仮想面を挟んで互いに隣り合う２つの前記領域に、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極を含む。対になるように配置された前記４５°モード用電極は、互いに逆位相の電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該４５°モード用電極に対向する対向領域において４５°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記対向領域に４５°モードで振動しているときに前記主面と平行方向に生じたひずみによって互いに逆位相の電荷が検出されるように構成されている。 In a preferred aspect, the drive electrodes or the detection electrodes are divided by four imaginary planes perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate, each including two of the drive axes and two of the detection axes. Of the eight regions on at least one of the main surfaces of the piezoelectric substrate, two regions adjacent to each other across the virtual plane parallel to the straight line dividing the X''-axis and the Y''-axis The area includes at least one set of 45° mode electrodes arranged in pairs. When voltages having opposite phases are applied to the 45° mode electrodes arranged to form a pair, vibration of the 45° mode occurs in a region facing the 45° mode electrodes in the piezoelectric substrate. so as to produce a strain parallel to the main surface to excite, or by strain induced parallel to the main surface when vibrating in a 45° mode in the opposing region in the piezoelectric substrate It is configured to detect charges having phases opposite to each other.
好ましい他の態様において、前記駆動用電極又は前記検出用電極は、前記駆動軸又は前記検出軸を含み前記Ｘ''軸及び前記Ｙ''軸それぞれに平行かつ前記圧電基板の前記主面に垂直である２つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の４つの領域のうち少なくとも１つに、当該領域の隣接する前記領域との２つの境界線の間を等分する方向に間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極を含む。対になるように配置された前記４５°モード用電極は、電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該４５°モード用電極に対向する対向領域の間の中間領域において４５°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記中間領域に４５°モードの振動によって前記主面と平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように構成されている。 In another preferable aspect, the drive electrode or the detection electrode includes the drive axis or the detection axis, is parallel to the X'' axis and the Y'' axis, and is perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate. In at least one of the four regions of the main surface of at least one of the piezoelectric substrates divided by two imaginary planes, the two boundary lines between the region and the adjacent region are equally divided. It includes at least one set of 45° mode electrodes arranged in pairs facing each other and spaced apart in a direction. When a voltage is applied to the 45° mode electrodes arranged to form a pair, the 45° mode electrodes vibrate in a 45° mode in an intermediate region between opposing regions facing the 45° mode electrodes in the piezoelectric substrate. or by strain induced in the intermediate region in the piezoelectric substrate in a direction parallel to the main surface by vibration in a 45° mode, the charge is detected by configured to be
好ましいさらに別の態様において、前記駆動用電極又は前記検出用電極は、２つの前記駆動軸及び２つの前記検出軸それぞれを含み前記圧電基板の前記主面に垂直である４つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の８つの領域のうち、前記Ｘ''軸及び前記Ｙ''軸の間を等分する前記直線に平行である前記仮想面を挟んで互いに隣り合う２つの前記領域に、間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極を含む。対になるように配置された前記４５°モード用電極は、電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該４５°モード用電極に対向する対向領域の間の中間領域において４５°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記中間領域に４５°モードの振動によって前記主面と平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように構成されている。 In still another preferred embodiment, the drive electrodes or the detection electrodes are divided by four imaginary planes perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate, each including two of the drive axes and two of the detection axes. of the eight regions of the main surface of at least one of the piezoelectric substrates, which are adjacent to each other across the virtual plane parallel to the straight line dividing the X''-axis and the Y''-axis The two regions include at least one pair of 45° mode electrodes spaced apart from each other and arranged in pairs. When a voltage is applied to the 45° mode electrodes arranged to form a pair, the 45° mode electrodes vibrate in a 45° mode in an intermediate region between opposing regions facing the 45° mode electrodes in the piezoelectric substrate. or by strain induced in the intermediate region in the piezoelectric substrate in a direction parallel to the main surface by vibration in a 45° mode, the charge is detected by configured to be
本発明によれば、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a vibrating gyroscope using a single crystal piezoelectric material.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
＜実施例１＞ 縮退モードのワイングラス振動あるいは円環広がり振動で駆動、検出する実施例１の振動ジャイロについて、図１～図１７を参照しながら説明する。
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まず、振動ジャイロの駆動原理について説明する。図１は、ワイングラス振動の説明図である。図１に示すように、振動体９０の円形の輪郭９０ａを含む面と平行、かつ、互いに直交する２つの軸を第１軸及び第２軸とし、振動体９０の輪郭９０ａを含む面に垂直な軸を第３軸とする。第１軸、第２軸、及び第３軸は、振動体９０の中心を通る。
First, the driving principle of the vibrating gyroscope will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram of wine glass vibration. As shown in FIG. 1, two axes that are parallel to the plane containing the
図１（ａ）は、０°－９０°モード（以下、「０°モード」という。）の説明図である。図１（ａ）に示すように、０°モードの振動では、振動体９０の輪郭９０ａは、鎖線で示すように第１軸方向（第１軸に対して０°の方向）に広がり第２軸方向（第１軸に対して９０°の方向）に縮む変形と、破線で示すように第１軸方向に縮み第２軸方向に広がる変形とを繰り返す。
FIG. 1(a) is an explanatory diagram of the 0°-90° mode (hereinafter referred to as “0° mode”). As shown in FIG. 1(a), in the 0° mode vibration, the
図１（ｂ）は、４５°－１３５°モード（以下、「４５°モード」という。）の説明図である。図１（ｂ）に示すように、４５°モードの振動では、振動体９０の輪郭９０ａは、鎖線で示すように第１軸に対して反時計まわりに４５°の方向に広がり第２軸に対して反時計まわりに１３５°の方向に縮む変形と、破線で示すように第１軸に対して反時計まわりに４５°の方向に縮み第２軸に対して反時計まわりに１３５°の方向に広がる変形とを繰り返す。
FIG. 1(b) is an explanatory diagram of the 45°-135° mode (hereinafter referred to as “45° mode”). As shown in FIG. 1(b), in the 45° mode vibration, the
振動体９０が等方であれば、振動体９０は、０°モードで第１軸及び第２に関して対称に変形し、４５°及び１３５°方向は振動の節になるので、４５°モードの振動は発生しない。０°モードで振動しているとき、第３軸まわりに角速度Ωが作用すると、コリオリ力によって振動体９０の対称な振動が歪み、４５°モードの振動が励振される。この励振された４５°モードの振動を検出することによって、第３軸まわりの角速度Ωを計測することができる。
If the vibrating
このように、０°モードで駆動し、４５°モードで検出するとき、第１軸及び第２軸は駆動軸であり、第１軸及び第２軸の間を等分する軸が検出軸である。４５°モードで駆動し、０°モードで検出することも可能である。この場合、第１軸及び第２軸は検出軸であり、第１軸及び第２軸の間を等分する軸が駆動軸である。 In this way, when driving in the 0° mode and detecting in the 45° mode, the first and second axes are drive axes, and the axis dividing the first and second axes equally is the detection axis. be. It is also possible to drive in 45° mode and detect in 0° mode. In this case, the first axis and the second axis are the detection axes, and the axis dividing the first axis and the second axis equally is the drive axis.
０°モードと４５°モードで振動する圧電基板は、２つの駆動軸と２つの検出軸とのそれぞれを中心として線対称な形状である。 The piezoelectric substrate vibrating in the 0° mode and the 45° mode has a line-symmetrical shape centered on each of the two drive axes and the two detection axes.
図３及び図４は、圧電基板９２，９４が振動する場合の説明図である。図３及び図４において、第１軸及び第２軸は、圧電基板９２，９４の主面９２ｓ，９２ｔ；９４ｓ，９４ｔに平行、かつ、互いに直交する。第３軸は、圧電基板９２，９４の主面９２ｓ，９２ｔ；９４ｓ，９４ｔに垂直である。
3 and 4 are explanatory diagrams when the
図３は、０°モードの説明図である。図３（ａ）に示すように、圧電基板９２の主面９２ｓ，９２ｔに形成された電極９６間に電圧を印加すると、矢印８１ａ，８１ｂで示すように第１軸方向に伸び、矢印８２ａ，８２ｂで示すように第２軸方向に縮む。図３（ｂ）に示すように、円板状の圧電基板９４に同様に電圧を印加すると、圧電基板９４の８分割された領域は、矢印で示すように、いずれも同じ方向に伸縮し、圧電基板９４の輪郭９４ａは、鎖線９４ｐで示すように変形する。周期的に変動する電界を主面９２ｓ，９２ｔ；９４ｓ，９４ｔ間に印加すると、圧電基板９２，９４を０°モードで振動させることができる。逆に、圧電基板９２，９４が０°モードで振動すると、圧電基板９２，９４の主面９２ｓ，９２ｔ；９４ｓ，９４ｔ間に、周期的に変動する電荷が生じる。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the 0° mode. As shown in FIG. 3A, when a voltage is applied between the
図４は、４５°モードの説明図である。図４（ａ）に示すように、圧電基板９２の主面９２ｓ，９２ｔに８つに分けて形成された電極９８間に交互に逆位相の電圧を印加すると、矢印８３ａ，８３ｂで示すように第１軸に対して４５°の方向には伸び、矢印８４ａ，８４ｂで示すように第１軸に対して１３５°の方向には縮む。図４（ｂ）に示すように、円板状の圧電基板９４に同様に電圧を印加すると、圧電基板９４は、電極に対応する各領域において矢印で示す方向に伸縮し、伸縮する方向が交互に逆になるため、圧電基板９４の輪郭９４ａは、鎖線９４ｑで示すように変形する。周期的に変動する電圧を圧電基板９２，９４に印加すると、圧電基板９２，９４を４５°モードで振動させることができる。逆に、圧電基板９２，９４が４５°モードで振動すると、圧電基板９２，９４に電荷の変動が生じる。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the 45° mode. As shown in FIG. 4A, when voltages of opposite phases are alternately applied to eight
０°モードの振動と４５°モードの振動とを利用して角速度を計測する場合、圧電基板９２，９４が等方であり、圧電基板９２，９４の弾性コンプライアンスが主面９２ｓ，９２ｔ；９４ｓ，９４ｔ内のどの方向でも同じであることが理想である。
When the angular velocity is measured using the 0° mode vibration and the 45° mode vibration, the
前述したように単結晶圧電材料は結晶異方性を有するが、本願発明者は、切り出す方位によっては主面方向で等方になる可能性があると考え、主面方向で等方になる結晶方位を探索した。詳しくは後述するが、例えば、１５５°ＹカットＬＮ板は、弾性コンプライアンスの第１軸成分及び第２軸成分が、主面内のどの方位でも略一定である。 As described above, a single crystal piezoelectric material has crystal anisotropy. searched for direction. Although the details will be described later, for example, in the 155° Y-cut LN plate, the first axis component and the second axis component of the elastic compliance are substantially constant in any orientation within the main plane.
図２は、ウエハの説明図である。図２（ａ）は、Ｚカットのウエハ２ａを示す。図７（ｂ）は、１５５°Ｙカットのウエハ２ｂを示す。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a wafer. FIG. 2(a) shows a Z-
図３（ａ）及び図４（ａ）には、圧電基板９２が１５５°ＹカットＬＮ板である場合の結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚを図示している。図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、第１軸はＹ軸と一致している。分極方向はＺ軸である。
FIGS. 3A and 4A show crystal axes X, Y, and Z when the
次に、振動ジャイロに用いる振動体１１の構成について説明する。
Next, the configuration of the vibrating
図５（ａ）は、振動体１１の平面図、図５（ｂ）は振動体１１の断面図である。図５に示すように、振動体１１は、円形板状の圧電基板１２の一方の主面１２ｓに内側電極２１～２８及び外側電極４１～４８が形成され、圧電基板１２の他方の主面１２ｔに内側電極３１～３８及び外側電極５１～５８が形成されている。一方の内側電極２１～２８と、他方の内側電極３１～３８とは、それぞれ、圧電基板１２を挟んで互いに対向する。同様に、一方の外側電極４１～４８と、他方の外側電極５１～５８とは、それぞれ、圧電基板１２を挟んで互いに対向する。
5A is a plan view of the vibrating
圧電基板１２の中心に、圧電基板１２の主面１２ｓ，１２ｔ間を貫通する中心穴１２ｂが形成されている。内側電極２１～２８，３１～３８は、中心穴１２ｂに沿って４５°ピッチで、互いに間隔を設けて配置されている。外側電極４１～４８，５１～５８は、内側電極２１～２８，３１～３８の径方向外側（中心穴１２ｂとは反対側）に、圧電基板１２の外周面１２ａに沿って４５°ピッチで、互いに間隔を設けて配置されている。
A
すなわち、圧電基板１２の第１軸及び第２軸と、圧電基板１２の第１軸と第２軸との間を等分する２つの軸とにそれぞれ平行、かつ、圧電基板１２の主面１２ｓ，１２ｔの中心を通る４つの仮想線によって分割される８つの領域において、主面１２ｓ，１２ｔの中心側（中心穴１２ｂ側）に内側電極２１～２８，３１～３８がそれぞれ形成され、主面１２ｓ，１２ｔの中心とは反対側（外周面１２ａ側）に外側電極４１～４８，５１～５８がそれぞれ形成されている。
That is, the
図６は振動体１１の要部拡大図である。図６に示すように、圧電基板１２の一方の主面１２ｓには、中心穴１２ｂに沿って、８つの内側電極用端子部２１ｘ～２８ｘと８つ外側電極用端子部４１ｘ～４８ｘとが形成されている。内側電極用端子部２１ｘ～２８ｘは、内側電極２１～２８と一体に形成されている。外側電極用端子部４１ｘ～４８ｘは、内側電極２１～２８及び内側電極用端子部２１ｘ～２８ｘとの間に間隔を設けて形成されている。図５及び図６に示すように、互いに隣り合う内側電極２１～２８の間に、外側電極４１～４８と外側電極用端子部４１ｘ～４８ｘとを電気的に接続する配線４１ａ～４８ａが形成されている。内側電極用端子部２１ｘ～２８ｘ及び外側電極用端子部４１ｘ～４８ｘは、後述するロッド端子６４（図１４参照）に電気的に接続される。
FIG. 6 is an enlarged view of a main portion of the vibrating
図示していないが、圧電基板１２の他方の主面１２ｔには、圧電基板１２の一方の主面１２ｔの内側電極用端子部２１ｘ～２８ｘ、外側電極用端子部４１ｘ～４８ｘ及び配線４１ａ～４８ａと同様に、内側電極用端子部、外側電極用端子部及び配線が形成されている。圧電基板１２の他方の主面１２ｔに形成される内側電極用端子部及び外側電極用端子部は、後述するロッド端子６６（図１４参照）に電気的に接続される。
Although not shown, on the other
振動体１１を０°モードで振動させ、４５°モードの振動によって発生する電荷を検出してもよいし、振動体１１を４５°モードで振動させ、０°モードの振動によって発生する電荷を検出してもよい。
The vibrating
０°モードで駆動し、４５°モードで検出する場合、例えば、内側電極２１～２８，３１～３８を、第１軸又は第２軸と平行な２つの駆動軸の方向に圧電基板１２を振動させる電界を圧電基板１２に印加するための駆動用電極として用い、外側電極４１～４８，５１～５８を、駆動軸の間を等分する２つの検出軸の方向の振動によって圧電基板１２に励起される電荷を検出するための検出用電極として用いる。内側電極２１～２８，３１～３８を検出用電極として用い、外側電極４１～４８，５１～５８を駆動用電極として用いることも可能である。
When driving in the 0° mode and detecting in the 45° mode, for example, the
４５°モードで駆動し、０°モードで検出する場合、例えば、内側電極２１～２８，３１～３８を駆動用電極として用い、外側電極４１～４８，５１～５８を検出用電極として用いる。内側電極２１～２８，３１～３８を検出用電極として用い、外側電極４１～４８，５１～５８を駆動用電極として用いることも可能である。
When driving in the 45° mode and detecting in the 0° mode, for example, the
次に、実施例１の解析例について、図７～図１１を参照しながら説明する。 Next, an analysis example of Example 1 will be described with reference to FIGS. 7 to 11. FIG.
まず、主面方向で等方、すなわち面内等方になる圧電基板１２の結晶方位の解析について説明する。圧電材料の諸材料定数は、分極方向をZ軸としたＸＹＺ座標系（以下、結晶ＸＹＺ座標系）で定められる。ウエハの結晶方位がこの分極方向を基準とした方位と異なる場合、ウエハを基準にした座標系（以下、ウエハ座標系）で表現し直した諸材料定数を考える必要がある。
First, the analysis of the crystal orientation of the
ここでは、結晶ＸＹＺ座標系を、図７に示すオイラー角の定義に従って、Ｚ軸周りに角度ψ回転したＸ'Ｙ'Ｚ'座標系を、さらにＸ'軸周りに角度θ回転したＸ''Ｙ''Ｚ''座標系をウエハ座標系とする。 Here, according to the definition of the Euler angles shown in FIG. 7, the X'Y'Z' coordinate system obtained by rotating the XYZ coordinate system around the Z axis by an angle .psi. is further rotated by an angle .theta. Let the Y''Z'' coordinate system be the wafer coordinate system.
結晶ＸＹＺ座標系における結晶点群３ｍに属する応力ＴーひずみＳ関係式は、次の式(1)で表せる。
式（１）をウエハＸ''Ｙ''Ｚ''座標系で表現し直すと、次の式（２）となる。
面内方位による弾性特性を調べるためウエハＸ''Ｙ''Ｚ''座標系をさらにＺ''軸周りに角度
これらの式（３）は、
ｓ１１'''はこれらすべてを含むので、ｓ１１'''一定が十分条件である。そこで、ｓ１１'''の
図８は、変動係数C.V.(ψ，θ)の分布図である。図８に示すように、（ψ，θ）＝（０°，０°），（０°，６５°）、つまり、Ｚカット、又は１５５°Ｙカットが、面内等方である。ＬＮは、三方晶系の点群３ｍに属するので、結晶構造的に等価な点が（０°，０°）に関して２か所、（０°，６５°）に関して６か所ある。 FIG. 8 is a distribution diagram of the coefficient of variation C.V.(ψ, θ). As shown in FIG. 8, (ψ, θ)=(0°, 0°), (0°, 65°), that is, a Z cut or a 155° Y cut is in-plane isotropic. Since LN belongs to the point group 3m of the trigonal system, there are two equivalent points for (0°, 0°) and six equivalent points for (0°, 65°) in terms of crystal structure.
図９は、（０°，６５°）近傍での計算結果を示す分布図である。図９から分かるように、変動係数C.V.（ψ，θ）が１%未満となるのは、おおよそ、－４°＜ψ＜４°，かつ、６３°＜θ＜６７°である。 FIG. 9 is a distribution diagram showing calculation results near (0°, 65°). As can be seen from FIG. 9, the coefficient of variation C.V. (ψ, θ) is less than 1% at −4°<ψ<4° and 63°<θ<67°.
図１０は、（０°，６５°）近傍での電気機械結合係数ｋ３１，ｋ３２の分布図である。図１０から、電気機械結合係数は０．３程度である。 FIG. 10 is a distribution diagram of the electromechanical coupling coefficients k 31 and k 32 near (0°, 65°). From FIG. 10, the electromechanical coupling coefficient is about 0.3.
（０°，０°）近傍では、電気機械結合係数ｋ３１がどの面内方位においても０に近いため、（０°，６５°）を採用する。 In the vicinity of (0°, 0°), the electromechanical coupling coefficient k 31 is close to 0 in any in-plane orientation, so (0°, 65°) is adopted.
図１１は、１５５°ＹカットＬＮ板のワイングラス振動を、有限要素法でシミュレーションした結果である。図１１（ａ）は０°モードの振動、図１１（ｂ）は４５°モードの振動である。０°モードの共振周波数は９６．８ｋＨｚ、４５°モードの共振周波数は９５．０ｋＨｚであった。 FIG. 11 shows the results of finite element method simulation of wine glass vibration of a 155° Y-cut LN plate. FIG. 11(a) shows vibration in 0° mode, and FIG. 11(b) shows vibration in 45° mode. The resonance frequency of 0° mode was 96.8 kHz, and the resonance frequency of 45° mode was 95.0 kHz.
圧電基板が三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなる場合、ＬＮ以外の圧電基板、例えば、タンタル酸リチウム（ＬＴ）やランガサイト等の圧電基板を用いてもよい。 When the piezoelectric substrate is made of a single crystal classified into the trigonal point group 3m, piezoelectric substrates other than LN, such as lithium tantalate (LT) and langasite, may be used.
次に、実施例１の試作例について、図１２～図１７を参照しながら説明する。 Next, a prototype example of Example 1 will be described with reference to FIGS. 12 to 17. FIG.
図１２は、振動体１１の製造工程を示す略図である。図１２（ａ）に示すように、４インチ１５５°ＹカットＬＮウェハ１２ｗを準備し、図１２（ｂ）に示すように、ウェハ１２ｗの両面１２ｐ，１２ｑに、電子ビーム蒸着によって、クロムの下地層７０，７１を形成し、その上に金の電極層７２，７３を形成する。次いで、図１２（ｃ）に示すように、両面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりマスクパターン７４，７５を形成した後、図１２（ｄ）に示すように、ウェットエッチングを行い、電極パターンを形成する。最後に、コアドリルを用いてディスク片とその中心穴を切り出して、圧電基板１２の外周面１２ａ及び中心穴１２ｂを加工した後、洗浄して、図１２（ｅ）に示すようにマスクパターン７４，７５を除去すると、振動体１１が完成する。
12A and 12B are schematic diagrams showing the manufacturing process of the vibrating
図１３は、試作した振動体１１の写真である。試作した振動体１１は、厚みが３３０μｍ、直径が２５．８ｍｍ、中心穴１２ｂの直径が４ｍｍである。クロムの下地層７０，７１のそれぞれの厚さは５０ｎｍ、金の電極層７２，７３のそれぞれの厚さは２００ｎｍである。
FIG. 13 is a photograph of the
図１４は、振動体１１がソケットに収納された振動ジャイロ１０の断面図である。図１４に示すように、振動体１１は、一対のソケット板６０，６２の間に配置される。振動体１１は、圧電基板１２の中心穴１２ｂに一方のソケット板６０の突起部６３が挿入され、中心穴１２ｂの内周面がソケット板６０の突起部６３の外周面に接した状態で支持される。ソケット板６０，６２には、ロッド端子６４，６６が取り付けられ、ロッド端子６４，６６の先端が、圧電基板１２の中心穴１２ｂの近傍に形成された内側電極用端子部及び外側電極用端子部に接している。
FIG. 14 is a cross-sectional view of the vibrating
図１５は、試作した振動ジャイロ１０の写真であり、振動体１１をソケットに収納した状態を示している。
FIG. 15 is a photograph of the
試作した振動ジャイロ１０の振動特性を評価するために、インピーダンスアナライザー（４２９４Ａ、キーサイト・テクノロジーズ・インク社製）をロッド端子６４，６６に接続して、インピーダンス特性を測定した。
In order to evaluate the vibration characteristics of the
０°モードの場合、インピーダンスアナライザーの正極端子を、圧電基板１２の一方の主面１２ｓの内側電極２１～２８に電気的に接続し、負極端子を、圧電基板１２の他方主面１２ｔの内側電極３１～３８に電気的に接続する。４５°モードの場合、外側電極４１～４８，５１～５８を、交互に正極端子と負極端子とに電気的に接続する。例えば、正極端子を外側電極４１，４３，４５，４７，５２，５４，５６，５８に電気的に接続し、負極端子を外側電極４２，４４，４６，４８，５１，５３，５５，５７に電気的に接続する。両方の場合において、測定に使用されていない電極は短絡する。
In the 0° mode, the positive terminal of the impedance analyzer is electrically connected to the
図１６は、０°モードと４５°モードのインピーダンス特性の測定結果を示すグラフであり、ワイングラスモード付近の周波数応答を示している。図１２から、０°モードと４５°モードとの共振周波数で振動していることが分かる。測定された共振周波数は、０°モードでは９５．７ｋＨｚ、４５°モードでは９５．５ｋＨｚである。共振周波数は、有限要素によるシミュレーションとよく一致する。検出感度を高めるために、０°モードを検出、４５°モードを駆動に用いることが好ましい。 FIG. 16 is a graph showing measurement results of impedance characteristics in 0° mode and 45° mode, showing frequency response in the vicinity of wine glass mode. From FIG. 12, it can be seen that it vibrates at the resonance frequencies of the 0° mode and the 45° mode. The measured resonant frequencies are 95.7 kHz for the 0° mode and 95.5 kHz for the 45° mode. The resonance frequencies are in good agreement with finite element simulations. In order to increase detection sensitivity, it is preferable to use the 0° mode for detection and the 45° mode for drive.
図１７は、光ヘテロダイン微小振動測定装置（ＭＬＤ－２３０Ｄ－２００Ｋ、ネオアーク株式会社製）を用いて、共振端の速度を測定した結果を示すグラフである。０°モードで測定された速度から計算された振動振幅は、２００ｍＶの電圧振幅で８０ｎｍであった。４５°モードで測定された速度から計算された振動振幅は、５００ｍＶの電圧振幅で２５ｎｍであった。 FIG. 17 is a graph showing the results of measuring the velocity at the resonance end using an optical heterodyne micro-vibration measuring device (MLD-230D-200K, manufactured by Neoark Co., Ltd.). The oscillation amplitude calculated from the velocity measured in 0° mode was 80 nm with a voltage amplitude of 200 mV. The oscillation amplitude calculated from the velocity measured in 45° mode was 25 nm with a voltage amplitude of 500 mV.
共振周波数でのインピーダンスは、自励発振回路を用いて両方のモードで振動体１１を発振させるのに十分に低かった。インピーダンス測定結果から計算された電気機械結合係数は、０°モードで３０．０％であり、４５°モードで４．３％であり、有限要素シミュレーションとよく一致した。測定されたインピーダンスから計算されたＱ値は、０°モードで９２０であり、４５°モードで１３００であり、測定された速度から計算されたＱ値は、０°モードで９６０であり、４５°モードで８８０であった。
The impedance at the resonant frequency was sufficiently low to allow the
以上に説明したように、振動体の圧電基板がＬＮ等の異方性材料で作られていても、最適配向ウエハを使用することによって、モード整合が達成できる。したがって、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロを実現することができる。 As explained above, mode matching can be achieved by using an optimally oriented wafer even if the piezoelectric substrate of the vibrator is made of an anisotropic material such as LN. Therefore, it is possible to realize a vibrating gyroscope using a single-crystal piezoelectric material.
次に、実施例１の変形例を説明する。 Next, a modified example of Example 1 will be described.
＜変形例１＞ 図１８は、振動体に用いる圧電基板の平面図である。図１８（ａ）～（ｃ）に示すように、圧電基板９１ａ～９１ｃの形状は、円形でも、正方形（図示せず）や正八角形や正十六角形等の正多角形でも構わない。この場合、圧電基板９１ａ～９１ｃの加工が容易である。
<
また、図１８（ｄ）～（ｆ）に示すように、圧電基板９１ａ～９１ｃの中心に中心穴９１ｐ～９１ｒを設けても、図１８（ａ）～（ｃ）に示すように設けなくてもよい。中心穴９１ｐ～９１ｒを設けない場合には、例えば、圧電基板の中心点を支持したり、圧電基板の外周の複数箇所を径方向に弾力的に引っ張って圧電基板を保持したり、弾力性を有する部材の間に圧電基板を挟んで保持したりする。
Moreover, even if the center holes 91p to 91r are provided at the centers of the
＜変形例２＞ 図１９の平面図に示すように、圧電基板９４の同一主面９４ｓに、０°モード用電極９６ａ～９６ｃと４５°モード用電極９８ａ～９８ｃとを種々の態様で配置することが可能である。
<
図１９（ａ）では、圧電基板９４の主面９４ｓのうち、右側に一つの０°モード用電極９６ａが配置され、左側に、対になるように配置された２組の４５°モード用電極９８ａ，９８ｓが９０°ずらして配置されている。電極９６ａと２組の電極９８ａ，９８ｓとは、左右を反転して配置してもよい。
In FIG. 19A, one 0°
４５°モード用電極９８ａ，９８ｓを用いて、４５°モードの振動を駆動し、又は、４５°モードの振動を検出することができる。図１９（ａ）には、対になるように配置された４５°モード用電極９８ａ，９８ｓが２組の場合を図示しているが、４５°モード用電極９８ａ，９８ｓが少なくとも１組あれば、４５°モードの振動を検出可能である。
The 45°
つまり、駆動用電極又は検出用電極は、駆動軸及び検出軸それぞれを含み圧電基板９４の主面９４ｓに垂直な４つの仮想面８６～８９によって分割される圧電基板９４の少なくとも一方の主面９４ｓの８つの領域のうち、第１軸及び第２軸（すなわち、前述したＸ''軸及びＹ''軸）の間を等分する直線に平行である仮想面８７，８９を挟んで互いに隣り合う２つの領域に、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極９８ａ，９８ｓを含む。対になるように配置された４５°モード用電極９８ａ，９８ｓは、（ａ）互いに逆位相の電圧が印加されると、圧電基板９４内の４５°モード用電極９８ａ，９８ｓに対向する対向領域において４５°モードの振動を励起するための主面９４ｓと平行方向のひずみを生成するように、又は、（ｂ）圧電基板９４内の４５°モード用電極９８ａ，９８ｓに対向する対向領域に４５°モードで振動しているときに主面９４ｓと平行方向に生じたひずみによって互いに逆位相の電荷が検出されるように、構成されている。
That is, the drive electrode or the detection electrode is divided by at least one
図１９（ｂ）では、圧電基板９４の主面９４ｓのうち、内側に一つの０°モード用電極９６ｂが配置され、外側に、対になるように配置された４組の４５°モード用電極９８ｂ，９８ｔが９０°ごとに配置されている。
In FIG. 19B, one 0°
図１９（ｃ）では、内側に４５°モード用の８つの電極９８ｃが４５°ごとに配置され、外側に０°モード用の一つの電極９６ｃが配置されている。
In FIG. 19(c), eight
図１９（ｄ）では、圧電基板９４の主面９４ｓのうち、内側に８つの内側電極９７ａが４５°ごとに配置され、外側に８つの外側電極９７ｂが４５°ごとに配置されている。図１９（ｄ）の態様は、電極９７ａ，９７ｂの位相の組み合わせによって、図１９（ａ）～図１９（ｃ）等と等価になるので、汎用性が高い。例えば、内側電極９７ａについて、「Ａ」が付された電極と「Ｂ」が付された電極とを同位相にするとともに、外側電極９７ｂについて、「Ａ」が付された電極と「Ｂ」が付された電極とを互いに逆位相にすると、図１９（ｂ）と等価になる。
In FIG. 19D, eight
＜変形例３＞ ０°モードの３軸電場と、４５°モードの径方向の面内電場とを組み合わせるように、電極を配置してもよい。図２０は、振動体の平面図である。図２０は、図２０（ｂ）の線Ｒ－Ｒ'に沿って切断された部分断面図である。
<
図２０（ａ）は、０°モードの説明図である。図２０（ａ）において「０」が付された４つの電極４５ｘは、０°モード用電極４５ｘであり、記号Ｐで示すように、それぞれの電界は同位相である。
FIG. 20(a) is an explanatory diagram of the 0° mode. The four
図２０（ｂ）は、４５°モードの説明図である。図２０（ｂ）において「４５」が付された電極４５ａ，４５ｂは、対になるように配置された４５°モード用電極４５ａ，４５ｂであり、周方向に隣り合う０°モード用電極４５ｘの間に、径方向に間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置されている。
FIG. 20(b) is an explanatory diagram of the 45° mode. The
４５°モード用電極４５ａ，４５ｂは、図２１（ａ）に示すように、圧電基板９４の外周面９４ａ及び内周面９４ｂから離れて形成されてもよいし、図２１（ｂ）に示すように、圧電基板９４の主面９４ｓ，９４ｔから内周面９４ｂ又は外周面９４ａに連続するように形成されてもよい。
The 45°
径方向に互いに対向する４５°モード用電極４５ａ，４５ｂの間に、例えば図２０（ｂ）及び図２１において矢印で示す方向の電界が発生する。 An electric field is generated in the directions indicated by arrows in FIGS.
４５°モード用電極４５ａ，４５ｂを用いて、４５°モードの振動を駆動し、又は、４５°モードの振動を検出することができる。図２０には、対になるように配置された４組の４５°モード用電極４５ａ，４５ｂが図示されているが、対になるように配置された４５°モード用電極４５ａ，４５ｂが少なくとも１組あれば、４５°モードの振動を検出可能である。
The 45°
つまり、駆動用電極又は検出用電極は、駆動軸又は検出軸を含み第１軸及び第２軸（すなわち、前述したＸ''軸及びＹ''軸）それぞれに平行かつ圧電基板９４の主面９４ｓ，９４ｔに垂直である２つの仮想面８６，８８によって分割される圧電基板９４の少なくとも一方の主面９４ｓの４つの領域のうち少なくとも１つに、当該領域の隣接する領域との２つの境界線の間を等分する方向に間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極４５ａ，４５ｂを含む。対になるように配置された４５°モード用電極４５ａ，４５ｂは、（ａ）電圧が印加されると、圧電基板９４内の４５°モード用電極４５ａ，４５ｂに対向する対向領域の間の中間領域において４５°モードの振動を励起するための主面９４ｓ，９４ｔと平行方向のひずみを生成するように、又は、（ｂ）圧電基板９４内の４５°モード用電極４５ａ，４５ｂに対向する対向領域の間の中間領域に４５°モードの振動によって主面９４ｓ，９４ｔと平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように、構成されている。
In other words, the drive electrodes or the detection electrodes are parallel to the first axis and the second axis (that is, the aforementioned X″ axis and Y″ axis), respectively, including the drive axis or the detection axis, and the main surface of the
＜変形例４＞ ０°モードの３軸電場と、４５°モードの周方向の面内電場とを組み合わせてもよい。図２２は、振動体の平面図である。図２３は、図２２（ｂ）の線Ｓ－Ｓ'に沿って切断した断面図である。
<
図２２（ａ）は、０°モードの説明図である。図２２（ａ）において「０」が付された４つの電極４５ｙは０°モード用電極４５ｙであり、記号Ｐで示すように、それぞれの電界は同位相である。
FIG. 22(a) is an explanatory diagram of the 0° mode. The four
図２２（ｂ）は、４５°モードの説明図である。図２２（ｂ）において「４５」が付された電極４５ｐ，４５ｑは、４５°モード用電極４５ｐ，４５ｑであり、周方向に互いに隣り合う０°モード用電極４５ｙの間に、周方向に互いに対向し対になるように配置されている。互いに周方向に対向する４５°モード用電極４５ｐ，４５ｑの間に、例えば図２２（ｂ）及び図２３において矢印で示す方向の電界が発生する。
FIG. 22(b) is an explanatory diagram of the 45° mode. The
４５°モード用電極４５ｐ，４５ｑを用いて、４５°モードの振動を駆動し、又は、４５°モードの振動を検出することができる。図２２には、対になるように配置された４組の４５°モード用電極４５ｐ，４５ｑが図示されているが、対になるように配置された４５°モード用電極４５ａ，４５ｂが少なくとも１組あれば、４５°モードの振動を検出可能である。
The 45°
つまり、駆動用電極又は検出用電極は、駆動軸及び検出軸それぞれを含み圧電基板９４の主面９４ｓ，９４ｔに垂直な４つの仮想面８６～８９によって分割される圧電基板９４の少なくとも一方の主面９４ｓの８つの領域のうち、第１軸及び第２軸（すなわち、前述したＸ''軸及びＹ''軸）の間を等分する直線に平行である仮想面８７，８９を挟んで互いに隣り合う２つの領域に、間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極４５ｐ，４５ｑを含む。対になるように配置された４５°モード用電極４５ｐ，４５ｑは、（ａ）電圧が印加されると、圧電基板９４内の４５°モード用電極４５ｐ，４５ｑに対向する対向領域の間の中間領域において４５°モードの振動を励起するための主面９４ｓ，９４ｔと平行方向のひずみを生成するように、又は、（ｂ）圧電基板９４内の４５°モード用電極４５ｐ，４５ｑに対向する対向領域の間の中間領域に４５°モードで振動しているときに主面９４ｓ，９４ｔと平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように、構成されている。
In other words, the drive electrode or the detection electrode is applied to at least one of the main surfaces of the
＜変形例５＞ 圧電基板は、均一な厚みでなくても構わない。例えば、圧電基板の外周近傍の領域の厚みを、他の領域の厚みより大きくて錘にする。圧電基板の厚みを部分的に変えることによって、０°モードと４５°モードの共振周波数のずれを補償することも可能である。
<
また、外周近傍の領域の厚みを厚くしたリング型の変形として、圧電基板の厚みを変えることにより、ワイングラス（半球面）型やカップ（円筒）型も可能である。この場合、ディスク型に比べて共振周波数を低くすることが可能である。 As a modification of the ring type in which the thickness of the region near the outer circumference is increased, a wine glass (hemispherical surface) type or a cup (cylindrical) type is possible by changing the thickness of the piezoelectric substrate. In this case, it is possible to lower the resonance frequency compared to the disk type.
＜まとめ＞ 以上に説明したように、適切なカット角を選択することにより、単結晶圧電材料を用いた振動ジャイロを構成することができる。 <Summary> As described above, a vibrating gyroscope using a single-crystal piezoelectric material can be constructed by selecting an appropriate cut angle.
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented with various modifications.
例えば、圧電基板の厚みや外径等の寸法、電極の寸法や形状や配置等は、適宜に選択すればよい。 For example, the dimensions such as the thickness and outer diameter of the piezoelectric substrate, and the dimensions, shape, arrangement, and the like of the electrodes may be appropriately selected.
１ 第１軸（駆動軸又は検出軸）
２ 第２軸（検出軸又は駆動軸）
１０ 振動ジャイロ
１１ 振動体
１２ 圧電基板
１２ｗ ウェハ
２１～２８，３１～３８ 内側電極（駆動用電極又は検出用電極）
４１～４８，５１～５８ 外側電極（検出用電極又は駆動用電極）
４５ａ，４５ｂ，４５ｐ，４５ｑ ４５°モード用電極
８６～８９ 仮想面
９２，９４ 圧電基板
９６，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ 電極
９７ａ，９７ｂ 電極
９８ 電極
９８ａ，９８ｂ ４５°モード用電極
９８ｃ 電極
９８ｓ，９８ｔ ４５°モード用電極
1 1st axis (drive axis or detection axis)
2 Second axis (detection axis or drive axis)
10
41 to 48, 51 to 58 outer electrode (detection electrode or drive electrode)
45a, 45b, 45p, 45q 45°
Claims (7)
互いに対向する一対の主面を有する圧電基板と、
前記圧電基板を、前記主面に平行かつ互いに直交する２つの駆動軸の方向に振動させる電界を前記圧電基板に印加するための駆動用電極と、
前記圧電基板の、前記駆動軸の間を等分する２つの検出軸の方向の振動によって前記圧電基板に励起される電荷を検出するための検出用電極と、
を備え、
前記圧電基板は、
三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶の圧電材料からなり、
前記単結晶の結晶軸Ｘ，Ｙ，ＺのうちＺ軸が分極方向であり、
前記結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚによる結晶ＸＹＺ座標系を右手系オイラー角の定義に従って、前記Z軸周りに角度ψ回転したＸ'Ｙ'Ｚ'座標系を、さらにＸ'軸周りに角度θ回転したＸ''Ｙ''Ｚ''座標が前記圧電基板のウエハ座標系であるとすると、
２つの前記駆動軸と２つの前記検出軸とのうち一方は、Ｘ''軸又はＹ''軸に平行であり、
２つの前記駆動軸と２つの前記検出軸とのうち他方は、前記Ｘ''軸及び前記Ｙ''軸の間を等分する２つの直線のうち一方又は他方に平行であり、
前記圧電基板の前記主面方向の弾性コンプライアンスが前記主面内の方位によらず略一定であることを特徴とする、振動ジャイロ。 A vibration gyro driven and detected by degenerate mode wineglass vibration or annular spreading vibration,
a piezoelectric substrate having a pair of main surfaces facing each other;
a drive electrode for applying to the piezoelectric substrate an electric field for vibrating the piezoelectric substrate in directions of two drive axes parallel to the main surface and orthogonal to each other;
detection electrodes for detecting charges excited in the piezoelectric substrate by vibration of the piezoelectric substrate in directions of two detection axes equally dividing between the drive axes;
with
The piezoelectric substrate is
Made of a single crystal piezoelectric material classified into a trigonal point group of 3m,
Among the crystal axes X, Y, and Z of the single crystal, the Z axis is the polarization direction,
According to the definition of right-handed Euler angles, the X'Y'Z' coordinate system obtained by rotating the crystal XYZ coordinate system by the crystal axes X, Y, and Z by an angle ψ around the Z axis is further rotated by an angle θ around the X' axis. Assuming that the X''Y''Z'' coordinates are the wafer coordinate system of the piezoelectric substrate,
one of the two drive axes and the two detection axes is parallel to the X″ axis or the Y″ axis;
the other of the two drive axes and the two detection axes is parallel to one or the other of two straight lines equally dividing the X″ axis and the Y″ axis;
A vibrating gyroscope, wherein the elastic compliance of the piezoelectric substrate in the direction of the principal plane is substantially constant regardless of the orientation within the principal plane.
－４°＜ψ＜４°、かつ、６３°＜θ＜６７°
であることを特徴とする、請求項１に記載の振動ジャイロ。 The piezoelectric substrate is made of a single crystal of lithium niobate,
-4°<ψ<4° and 63°<θ<67°
2. The vibrating gyroscope according to claim 1, characterized in that:
２つの前記駆動軸及び２つの前記検出軸それぞれを含み前記圧電基板の前記主面に垂直である４つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の８つの領域のうち、前記Ｘ''軸及び前記Ｙ''軸の間を等分する前記直線に平行である前記仮想面を挟んで互いに隣り合う２つの前記領域に、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極を含み、
対になるように配置された前記４５°モード用電極は、互いに逆位相の電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該４５°モード用電極に対向する対向領域において４５°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記対向領域に４５°モードで振動しているときに前記主面と平行方向に生じたひずみによって互いに逆位相の電荷が検出されるように構成されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の振動ジャイロ。 The drive electrode or the detection electrode is
Of the eight regions on at least one of the main surfaces of the piezoelectric substrate divided by four imaginary planes that include the two drive axes and the two detection axes and are perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate, At least one pair of regions adjacent to each other across the imaginary plane parallel to the straight line dividing the X'' axis and the Y'' axis including electrodes for 45° mode;
When voltages having opposite phases are applied to the 45° mode electrodes arranged to form a pair, vibration of the 45° mode occurs in a region facing the 45° mode electrodes in the piezoelectric substrate. so as to produce a strain parallel to the main surface to excite, or by strain induced parallel to the main surface when vibrating in a 45° mode in the opposing region in the piezoelectric substrate 5. The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein the vibrating gyroscope is configured to detect charges having phases opposite to each other.
前記駆動軸又は前記検出軸を含み前記Ｘ''軸及び前記Ｙ''軸それぞれに平行かつ前記圧電基板の前記主面に垂直である２つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の４つの領域のうち少なくとも１つに、当該領域の隣接する前記領域との２つの境界線の間を等分する方向に間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極を含み、
対になるように配置された前記４５°モード用電極は、電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該４５°モード用電極に対向する対向領域の間の中間領域において４５°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記中間領域に４５°モードの振動によって前記主面と平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように構成されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の振動ジャイロ。 The drive electrode or the detection electrode is
At least one of the piezoelectric substrates divided by two imaginary planes including the drive axis or the detection axis and parallel to the X''-axis and the Y''-axis and perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate In at least one of the four regions of the main surface, the region is arranged in a pair facing each other with a gap in a direction that equally divides two boundary lines between the region and the adjacent region. at least one pair of 45° mode electrodes;
When a voltage is applied to the 45° mode electrodes arranged to form a pair, the 45° mode electrodes vibrate in a 45° mode in an intermediate region between opposing regions facing the 45° mode electrodes in the piezoelectric substrate. or by strain induced in the intermediate region in the piezoelectric substrate in a direction parallel to the main surface by vibration in a 45° mode, the charge is detected by 5. A vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is configured to be
２つの前記駆動軸及び２つの前記検出軸それぞれを含み前記圧電基板の前記主面に垂直である４つの仮想面によって分割される前記圧電基板の少なくとも一方の前記主面の８つの領域のうち、前記Ｘ''軸及び前記Ｙ''軸の間を等分する前記直線に平行である前記仮想面を挟んで互いに隣り合う２つの前記領域に、間隔を設けて互いに対向し、対になるように配置された少なくとも１組の４５°モード用電極を含み、
対になるように配置された前記４５°モード用電極は、電圧が印加されると、前記圧電基板内の当該４５°モード用電極に対向する対向領域の間の中間領域において４５°モードの振動を励起するための前記主面と平行方向のひずみを生成するように、又は、前記圧電基板内の前記中間領域に４５°モードの振動によって前記主面と平行方向に生じたひずみによって電荷が検出されるように構成されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の振動ジャイロ。 The drive electrode or the detection electrode is
Of the eight regions on at least one of the main surfaces of the piezoelectric substrate divided by four imaginary planes that include the two drive axes and the two detection axes and are perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate, The two regions adjacent to each other across the imaginary plane parallel to the straight line dividing the X'' axis and the Y'' axis are spaced apart from each other so as to form a pair. at least one set of 45° mode electrodes arranged in
When a voltage is applied to the 45° mode electrodes arranged to form a pair, the 45° mode electrodes vibrate in a 45° mode in an intermediate region between opposing regions facing the 45° mode electrodes in the piezoelectric substrate. or by strain induced in the intermediate region in the piezoelectric substrate in a direction parallel to the main surface by vibration in a 45° mode, the charge is detected by 5. A vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is configured to be
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