(57)【要約】【課題】振動子振動子に加わる物理量に応じて振動子に励振される検出振動を検出する物理量測定装置において、温度ドリフトを低減する。【解決手段】物理量測定装置は、振動子１Ａ、振動子１Ａに駆動振動を励振する駆動手段１９、および振動子に加わる物理量に応じて振動子に励振される検出振動を検出する検出手段２０を備えている。振動子１Ａにスプリアスモードの振動が存在しており、振動子のスプリアス離調が５０Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以下である。【選択図】                        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子、前記振動子に駆動振動を励振する駆動手段および前記振動子に加わる物理量に応じて前記振動子に励振される検出振動を検出する検出手段を備えている物理量測定装置であって、
前記振動子にスプリアスモードの振動が存在しており、この振動子のスプリアス離調が５０Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以下であることを特徴とする、物理量測定装置。
【請求項２】
前記振動子が、前記駆動手段が設けられた駆動振動片、前記検出手段が設けられた検出振動片、および前記駆動振動片と前記検出振動片との間に設けられた基部を備えていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記駆動振動モードおよび前記検出振動モードにおいて前記振動子が略平面的に振動することを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物理量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに、振動型ジャイロスコープを使用することが検討されている。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００３】車体制御システムにおいては、振動型ジャイロスコープおよびその振動子は、幅広い環境温度、即ち高温と低温とにさらされる。このような使用温度範囲は、通常は−４０℃−＋８５℃の範囲にわたっており、一層厳しい仕様では更に広い温度範囲にわたる場合もある。特に、振動子を圧電性単結晶によって形成した場合には、圧電性単結晶の有する温度特性の影響がある。本出願人は、特許文献１において、振動型ジャイロスコープの環境温度が変化した場合に、検出振動のＱ値の変動を抑制するために、振動子を支持部材へと接着する接着剤のｔａｎδを、使用温度範囲内において０．１以下とすることを開示した。
【特許文献１】
特開２００１−１２９５５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】最近の技術進歩に伴い、新たな問題点が生じてきた。即ち、本発明者は、パッケージを薄くするために、振動子およびその実装構造を小型化することを研究している。例えば携帯電話の画像撮影装置に振動型ジャイロスコープを内蔵するためには、超小型のパッケージが必要となる。
【０００５】しかし、振動子の支持部材を薄い平板とし、その厚さを０．５ｍｍ以下、更には０．３ｍｍ以下とすると、種々の問題点が生じてきた。例えばこのような小型の振動子を用いた振動型ジャイロスコープにおいては、温度ドリフトをある程度以上低減することが困難であることが分かった。特に矩形波で振動子に駆動振動を励振した場合には、広い温度範囲における温度ドリフトの低減に限界があることが判明してきた。
【０００６】本発明の課題は、振動子に加わる物理量に応じて振動子に励振される検出振動を検出する検出手段を備えている物理量測定装置において、温度ドリフトを低減することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、振動子、振動子に駆動振動を励振する駆動手段、および振動子に加わる物理量に応じて振動子に励振される検出振動を検出する検出手段を備えている物理量測定装置であって、振動子にスプリアスモードの振動が存在しており、この振動子のスプリアス離調が５０Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以下であることを特徴とする。
【０００８】本発明者は、振動子のスプリアス離調を小さくすることによって、温度ドリフトを低減できることを見いだし、本発明に到達した。
【０００９】例えば矩形波で振動子に駆動振動を励振する場合には、駆動信号中には、駆動振動の共振周波数の振動成分だけでなく、すべての周波数成分が含まれている。このため、非常に振幅は小さいながらもスプリアス振動モードの振動も振動子に発生しているものと考えられる。
【００１０】本発明者は、有限要素解析法によって、振動子の基部ないし固定部分における各ノードの変位の二乗和を解析した。この結果、スプリアス離調が小さいほど、固定部分における変位量の総和が小さいことを発見した。これは、僅かに発生するスプリアス振動を介して、固定部分から振動エネルギーが漏れ、固定部分に変位を生じさせており、これが温度安定性を悪化させる原因となるものと考えられる。
【００１１】本発明者は、このような知見に基づき、スプリアス離調を１０００Ｈｚ以下とすることによって、振動子からの出力値の温度ドリフトを低減できることを見いだした。
【００１２】スプリアス離調とは、駆動振動モードの振動の共振周波数ｆｄとスプリアスモードの振動の共振周波数ｆｓとの差（ｆｓ−ｆｄ）の絶対値｜ｆｓ−ｆｄ｜である。本発明においては、スプリアス離調を１０００Ｈｚ以下とする。本発明の観点からは、スプリアス離調を８００Ｈｚ以下とすることが好ましく、６００Ｈｚ以下とすることが更に好ましい。
【００１３】一方、スプリアス離調が小さくなりすぎると、温度ドリフトがかえって大きくなることが判明してきた。これは、駆動振動とスプリアスモードの振動とのモード結合が原因と考えられる。この結果、感度が低くなり、感度あたりのノイズ（Ｓ／Ｎ比）が悪化する。この観点からは、スプリアス離調を５０Ｈｚ以上とするが、１００Ｈｚ以上とすることが一層好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る振動子１Ａ（駆動振動モード）を概略的に示す平面図である。図２は、振動子１Ａの検出振動モードの振動を示す平面図であり、図３は、振動子１Ａのスプリアスモードの振動を示す平面図である。
【００１５】本例の振動子１Ａは、基部２と、基部２から突出する一対の検出振動片１３Ａ、１３Ｂと、基部２から突出する一対の支持部５と、各支持部５の先端に設けられている各駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄとを備えている。
【００１６】各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。溝内に駆動電極１９が形成されている。各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔１７が形成されている。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。溝内に検出電極２０が形成されている。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部１６Ａ、１６Ｂが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔１８が形成されている。
【００１７】図１には駆動モードの振動を示す。駆動時には、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄが、それぞれ、支持部５への付け根２１を中心として矢印Ａのように屈曲振動する。この状態で振動子１Ａを、振動子１Ａに略垂直に延びる回転軸Ｚの周りに回転させる。すると、図２に示すように、支持部５が固定部２への付け根５ａを中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。各検出振動片１３Ａ，１３Ｂが、それぞれ、その反作用によって、固定部２への付け根を中心として、矢印Ｃのように屈曲振動する。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂにおいて発生した電気信号に基づいて、Ｚ軸を中心とする回転角速度を算出する。
【００１８】駆動時には、各駆動振動片４が、支持部５への付け根を中心として屈曲振動する。この状態で振動子１に対して、振動子１に略垂直に延びる回転軸Ｚの周りに回転させる。すると、支持部５が固定部２への付け根を中心として屈曲振動し、各検出振動片３がその反作用によって固定部２への付け根を中心として屈曲振動する。各検出振動片３において発生した電気信号に基づいて、Ｚ軸を中心とする回転角速度を算出する。
【００１９】図３は、スプリアスモードの振動を示す。この振動モードにおいては、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄが同じ方向へと向かって矢印Ｈのように同相で振動し、これに対応して各検出振動片１３Ａ、１３Ｂが各駆動振動片とは逆方向へと矢印Ｊのように変位する。
【００２０】スプリアス離調を制御するためには、以下の方法がある。
（１）スプリアスモードの共振周波数を変更する。
（２）駆動振動の共振周波数を変更する。
（３）スプリアスモードの共振周波数と駆動振動の共振周波数との両方を変更する。
【００２１】駆動モードの振動の共振周波数を変化させる方法は、特に限定されず、以下の方法であってよい。
（１）  駆動振動部の質量を変化させる。具体的には、駆動振動片の一部をトリミングして重量を減らし、駆動モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。また駆動振動片の上に質量調整膜を設け、この質量調整膜をトリミングして質量を減らし、駆動モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。
（２）  駆動振動部の寸法を変化させる。例えば駆動振動片の幅を小さくすることによって、駆動モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。
【００２２】スプリアスモードの振動の共振周波数を変化させる方法は、特に限定されず、以下の方法であってよい。
（１）  検出振動部の質量を変化させる。具体的には、検出振動片の一部をトリミングして質量を減らし、スプリアスモードの振動の共振周波数を上昇させることができる。また検出振動片の上に質量調整膜を設け、この質量調整膜をトリミングして質量を減らし、スプリアスモードの振動の共振周波数を上昇させることができる。
（２）  検出振動部の寸法を変化させる。例えば検出振動片の幅を小さくすることによって、スプリアスモードの振動の共振周波数を上昇させることができる。
【００２３】前記質量調整膜の材質としては以下を例示できる。
金、アルミニウムなどの蒸着膜、スパッター膜
金、ニッケルなどのメッキ膜
【００２４】また、質量調整膜をトリミングする方法としては、以下を例示できる。
（１）ＹＡＧ  レーザー、ＹＶＯ４レーザー、炭酸ガスレーザーなどのレーザー光照射
（２）  アルゴン、窒素などのスパッター
（３）  電子ビーム照射
【００２５】振動子は複数箇所で支持してもよい。これは振動子と支持手段との接触部分が複数あることを意味している。支持手段は特に限定されず、ボンディングワイヤー、柱、棒、ピンなどであってよい。支持手段の材質も限定されず、金属、樹脂、接着剤、金属−樹脂複合材料であってよいが、金属が特に好ましい。特に好ましい材質は以下のものである。
銅、金、アルミ、銀、タングステン、ステンレス、鉄、ニッケル、錫、真鍮
または、それらの合金。これらの金属、合金にはメッキ等が施されていてもよい、例えば金メッキが施された銅箔が特に好ましい。
【００２６】振動子の基板への固定方法は特に限定されない。例えば好適な実施形態においては、振動子を、基板に直接接触しない状態で支持する。これによって振動子の振動の阻害を防止する。好適な実施形態においては、振動子と基板との間隔は、０．１ｍｍ以上であり、更に好ましくは０．２ｍｍ以上である。この場合には、ボンディングワイヤによって振動子を基板上に支持することができる。このボンディングワイヤの振動子への接合方法は限定されないが、超音波ボンディング、スポット溶接、導電性接着剤、半田付けが好ましい。
【００２７】好適な実施形態においては、振動子が、駆動手段が設けられた駆動振動片、検出手段が設けられた検出振動片、および駆動振動片と検出振動片との間に設けられた基部を備えている。図１〜図３の振動子１Ａはこの実施形態に係るものである。
【００２８】振動子の材質は限定されないが、圧電単結晶が好ましく、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、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が特に好ましい。
【００２９】振動子の寸法は限定されないが、本発明の観点からは、振動子の幅を１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。また、同様の観点からは、振動子の重量を５ｍｇ以下とすることが好ましく、１ｍｇ以下とすることが一層好ましい。また、振動子の厚さを０．３ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
【００３０】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、測定装置としては振動型ジャイロスコープ等の慣性センサーが好ましい。
【００３１】
【実施例】（実施例１）
図１〜図３に示す振動子１Ａを使用した。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。
【００３２】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１Ａ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１Ａの寸法は、縦３．８ｍｍ、横４．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍであり、重量は約０．８ｍｇであった。
【００３３】振動子１Ａをパッケージに実装した。ただし、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。銅膜線の厚さは約２０μｍであり、幅は約１００μｍであり、金メッキの厚さは約１μｍであった。振動子１Ａの基部２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。
【００３４】得られた振動型ジャイロスコープを温度試験槽に入れ、雰囲気温度を、図４に示すように変化させた。そして各モードの振動の各共振周波数を、インピーダンスアナライザを用いて測定した。スプリアス離調は６００Ｈｚであった。
【００３５】この振動型ジャイロスコープについて、パッケージを静止させたときの振動子からの出力電圧を測定した。あらかじめ回転角速度に対するジャイロ感度を測定し、検量線を準備しておいた。そして、出力電圧を、予め測定しておいたジャイロ感度を用いて回転角速度に換算し、換算結果を図４に示した。図４からわかるように、−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトは約４ｄｐｓであった。
【００３６】（実施例２）
実施例１と同様にして振動型ジャイロスコープを作製した。ただし、振動子１Ａ上の膜形状を変更し、スプリアス離調が８００Ｈｚになるようにした。この振動型ジャイロスコープについてゼロ点温度ドリフトの温度変化を測定し、結果を図５に示す。この結果、−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトは約１０ｄｐｓであった。
【００３７】（比較例１）
実施例１と同様にして振動型ジャイロスコープを作製した。ただし、振動子１Ａ上の膜形状を若干変更し、スプリアス離調が１５００Ｈｚになるようにした。この振動型ジャイロスコープについてゼロ点温度ドリフトの温度変化を測定し、結果を図６に示す。この結果、−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトは約７０ｄｐｓであった。
【００３８】（比較例２）
実施例１と同様にして振動型ジャイロスコープを作製した。ただし、振動子１Ａ上の膜形状を変更し、スプリアス離調が１７Ｈｚになるようにした。この振動型ジャイロスコープについてゼロ点温度ドリフトの温度変化を測定し、結果を図７に示す。この結果、−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトは約１０００ｄｐｓであった。
【００３９】（振動子１Ａのスプリアス離調と基部２のスプリアスモードにおける基部の変位との関係）
上述の振動子１Ａについて、有限要素法によって、基部２内の各ノードの変位の二乗和を調べた。図８はこの結果を示すグラフである。横軸はスプリアス離調（Ｈｚ）であり、縦軸はスプリアスモードにおける基部の変位（スプリアスモードベース変位）である。
【００４０】この結果、基部２内において振動子を支持すると、僅かに発生するスプリアスモードの振動を介して、基部から振動エネルギーが漏れることが分かる。スプリアスモードの振動に伴う基部２の変位を通して振動エネルギーが漏れ、温度ドリフトの原因となるものと思われる。そして、スプリアス離調を小さくすることによって、基部２におけるスプリアスモード振動による変位が小さくなることも分かる。
【００４１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、振動子、振動子に駆動振動を励振する駆動手段および振動子に加わる物理量に応じて振動子に励振される検出振動を検出する検出手段を備えている物理量測定装置において、温度ドリフトを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動子１Ａの駆動モードの振動を示す平面図である。
【図２】振動子１Ａの検出モードの振動を示す平面図である。
【図３】振動子１Ａのスプリアスモードの振動を示す平面図である。
【図４】スプリアス離調が６００Ｈｚのときのゼロ点温度ドリフトを示すグラフである。
【図５】スプリアス離調が８００Ｈｚのときのゼロ点温度ドリフトを示すグラフである。
【図６】スプリアス離調が１５００Ｈｚのときのゼロ点温度ドリフトを示すグラフである。
【図７】スプリアス離調が１７Ｈｚのときのゼロ点温度ドリフトを示すグラフである。
【図８】振動子のスプリアス離調とスプリアスモードにおける基部２の変位との関係を示すグラフである。
【符号の説明】１Ａ  振動子        ２  基部        １３Ａ，１３Ｂ  検出振動片        １４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ  駆動振動片        ５  支持部１９  駆動手段        ２０  検出手段        Ａ  駆動振動モード  Ｃ  検出振動モード        Ｈ、Ｊ  スプリアスモードの振動
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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