(57)【要約】【課題】振動子の検出インピーダンスを低減し、検出感度を一層向上させることである。【解決手段】所定の検出軸Ｚに対応する物理量を測定するのに用いる振動子１１Ａを提供する。振動子１１Ａは、所定の駆動振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、検出軸Ｚに対応して振動する四個以上の検出振動片６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、および駆動振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄと検出振動片６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆとの間に介在する連結部２を備えている。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の検出軸に対応する物理量を測定するのに用いる振動子であって、
駆動振動片、前記検出軸に対応して振動する四個以上の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介在する連結部を備えていることを特徴とする、振動子。
【請求項２】
前記振動子が所定面に沿って延びていることを特徴とする、請求項１記載の振動子。
【請求項３】
前記駆動振動片および前記検出振動片が前記所定面内で屈曲振動することを特徴とする、請求項２記載の振動子。
【請求項４】
前記駆動振動片が前記所定面内で屈曲振動し、前記検出振動片が前記所定面とは略垂直な方向に屈曲振動することを特徴とする、請求項２記載の振動子。
【請求項５】
前記検出振動片の個数が偶数であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の振動子、前記振動子に前記駆動振動を励振する駆動手段、および前記検出振動を検出する検出手段を備えていることを特徴とする、物理量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
特許文献１には、平面状振動子に対する垂直軸の周りの回転角速度を検出する振動型ジャイロスコープが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２８１３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
このタイプの振動子の一例について、図１を参照しつつ述べる。振動子１ＡはＸ−Ｙ平面内に形成されている。振動子１Ａの連結部２は長方形をしている。連結部２の周縁部から一対の支持部３Ａ、３Ｂが突出しており、各支持部３Ａ、３Ｂの先端側から屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが突出し、支持部３Ａ、３Ｂに直交する方向に延びている。また、連結部２から一対の検出振動片６Ａ、６Ｂが延びている。
【０００３】
各検出振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄには、それぞれ、一対の溝９が形成されており、溝９内には駆動電極１０が形成されている。各屈曲振動片４Ａ〜４Ｄの横断面は略Ｈ字形状である。各屈曲振動片４Ａ〜４Ｄの先端には幅広部５が設けられている。また、各検出振動片６Ａ、６Ｂには、それぞれ、一対の溝１２が形成されており、溝１２内には検出電極１３が形成されている。各検出振動片６Ａ、６Ｂの横断面は略Ｈ字形状である。各検出振動片６Ａ、６Ｂの先端には幅広部７が設けられている。
【０００４】
しかし、この振動子による検出感度を一層向上させるためには、検出インピーダンスの低減が重要であるが、検出インピーダンスを低減する手法は限られている。
【０００５】
本発明の課題は、振動子の検出インピーダンスを低減し、検出感度を一層向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、所定の検出軸に対応する物理量を測定するのに用いる振動子であって、駆動振動片、検出軸に対応して振動する四個以上の検出振動片および駆動振動片と検出振動片との間に介在する連結部を備えていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、前記振動子、振動子に駆動振動を励振する駆動手段、および検出振動を検出する検出手段を備えていることを特徴とする、物理量測定装置に係るものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明者は、例えば図１０、図１１に示すように、検出振動片の個数を４個以上に増加させることによって、検出振動片の個数が２個、３個の場合に比べて、検出感度が著しく向上することを見いだした。検出振動片の個数が３個の場合にも検出感度は若干は向上するが、その増加量は少なく、検出振動片の個数が四個の場合には飛躍的な検出振動の増加が見られた。この理由は明らかではないが、検出振動片の個数が３個の場合には振動状態の幾何学的対称性が低下し、検出モードのＱ値が低下するために、検出インピーダンスがあまり低くならず、検出感度の増加量が少ないものと思われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
好適な実施形態においては、検出振動片の個数を偶数とし、これによって検出振動の幾何学的対称性が高まり、検出インピーダンスが一層低下する。
【００１０】
検出振動片の個数の上限は特にないが、製造し易さなどの観点からは、検出振動片の個数は１０個以下であることが好ましい。
【００１１】
振動子の材質は特に限定するものでないが、水晶、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ3）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を使用することが好ましい。
【００１２】
本発明の振動子を圧電性材料によって形成した場合には、この振動子に駆動電極および検出電極を設ける。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧電セラミックスがある。また、本発明の振動子を、エリンバー等の恒弾性金属によって形成することもできる。この場合には、振動子の所定箇所に圧電体を取り付ける必要がある。
【００１３】
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、測定装置としては慣性センサーが好ましい。
【００１４】
好適な実施形態においては、振動子が所定面に沿って延びており、駆動振動片および検出振動片が所定面内で屈曲振動する。図２、図３、図５の振動子はこの実施形態に係るものである。
【００１５】
図２の振動子１１ＡはＸ−Ｙ平面内に形成されている。振動子１１Ａの連結部２は長方形をしている。連結部２の周縁部から一対の支持部３Ａ、３Ｂが突出しており、各支持部３Ａ、３Ｂの先端側から屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが突出し、支持部３Ａ、３Ｂに直交する方向に延びている。また、連結部２から２対の検出用の屈曲振動片６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆが延びている。
【００１６】
各屈曲振動片４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄには、それぞれ、一対の溝９が形成されており、溝９内には駆動電極１０が形成されている。各屈曲振動片４Ａ〜４Ｄの横断面は略Ｈ字形状である。各屈曲振動片４Ａ〜４Ｄの先端には幅広部５が設けられている。また、各検出振動片６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆには、それぞれ、一対の溝１２が形成されており、溝１２内には検出電極１３が形成されている。各検出振動片６Ｃ〜６Ｆの横断面は略Ｈ字形状である。各検出振動片６Ｃ〜６Ｆの先端には幅広部７が設けられている。
【００１７】
各駆動振動片４Ａ〜４Ｄに、矢印Ａのように、Ｘ軸方向の屈曲振動を励振する。この状態で、振動子１１ＡをωのようにＺ軸の周りに回転させると、各支持部３Ａ、３Ｂが、各支持部の連結部２への付け根を中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。すると、各支持部３Ａ、３Ｂの屈曲振動に反応して、各検出振動片６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆが、矢印Ｃのように、連結部２への付け根を中心として屈曲振動する。この屈曲振動Ｃによって、検出振動片６Ｃ〜６Ｆに惹起される電気信号を出力し、適宜差動をとる。
【００１８】
図３の振動子１１Ｂは、図２の振動子１１Ａと類似のものであるので、同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。振動子１１Ｂにおいては、連結部２から３対の検出振動片６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆが突出している。各屈曲振動片６Ａ〜６Ｆには、それぞれ、一対の溝１２が形成されており、溝１２内には検出電極１３が形成されている。各屈曲振動片６Ａ〜６Ｆの横断面は略Ｈ字形状であり、各屈曲振動片６Ａ〜６Ｆの先端には幅広部７が設けられている。
【００１９】
各駆動振動片４Ａ〜４Ｄに、矢印Ａのように、Ｘ軸方向の屈曲振動を励振する。この状態で、振動子１１ＡをωのようにＺ軸の周りに回転させると、各支持部３Ａ、３Ｂが、各支持部の連結部２への付け根を中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。すると、各支持部３Ａ、３Ｂの屈曲振動に反応して、各検出振動片６Ａ〜６Ｆが、矢印Ｃのように、連結部２への付け根を中心として屈曲振動する。この屈曲振動Ｃによって、検出振動片６Ａ〜６Ｆに惹起される電気信号を出力し、適宜差動をとる。
【００２０】
図４の振動子１Ｂは本発明外のものである。振動子１Ｂにおいては、連結部２から３個の検出振動片６Ａ、６Ｄ、６Ｅが突出している。連結部２から見て＋Ｙ側に一個の検出振動片６Ａが突出しており、−Ｙ側に二個の検出振動片６Ｄ、６Ｅが突出している。
【００２１】
図５には、例えば水晶のように、Ｘ−Ｙ平面内に３つのａ軸を有する圧電性単結晶によって振動子を形成した場合の振動子例を示す。振動子１１Ｃは、図２の振動子１１Ａと類似のものであるので、同じ構成部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。振動子１１Ｃにおいては、連結部２から３対の検出振動片６Ａ、６Ｂ、６Ｇ、６Ｈ、６Ｊ、６Ｋが突出している。検出振動片６Ａ、６ＢはＹ軸方向に向かって延びており、かつａ軸方向に向かって延びている。検出振動片６Ｇ、６Ｈ、６Ｊ、６Ｋは、それぞれＹ軸からそれぞれ６０°だけ傾斜した方向に向かって延びており、従ってａ軸の方向に向かって延びている。
【００２２】
各屈曲振動片６Ａ〜６Ｋには、それぞれ、一対の溝１２が形成されており、溝１２内には検出電極１３が形成されている。各屈曲振動片６Ａ〜６Ｋの横断面は略Ｈ字形状であり、各屈曲振動片６Ａ〜６Ｋの先端には幅広部７が設けられている。
【００２３】
各駆動振動片４Ａ〜４Ｄに、矢印Ａのように、Ｘ軸方向の屈曲振動を励振する。この状態で、振動子１１ＡをωのようにＺ軸の周りに回転させると、各支持部３Ａ、３Ｂが、各支持部の連結部２への付け根を中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。すると、各支持部３Ａ、３Ｂの屈曲振動に反応して、各検出振動片６Ａ、６Ｂが、矢印Ｃのように、連結部２への付け根を中心としてＸ軸方向に向かって屈曲振動する。この屈曲振動Ｃによって検出振動片６Ａ、６Ｂに惹起される電気信号を出力し、適宜差動をとる。また、これと同時に、各検出振動片６Ｇ〜６Ｋが、矢印Ｄのように、連結部２への付け根を中心として矢印Ｄのように屈曲振動する。この屈曲振動Ｄによって検出振動片６Ｇ〜６Ｋに惹起される電気信号を出力し、適宜差動をとる。
【００２４】
また、好適な実施形態においては、振動子が所定面に沿って延びており、駆動振動片が所定面内で屈曲振動し、検出振動片が所定面とは略垂直な方向に屈曲振動する。
【００２５】
図６は、本発明外の振動子１Ｃを概略的に示す斜視図である。連結部２から上方へと向かって一対の駆動振動片１５Ａ、１５Ｂが延びており、各駆動振動片の先端に幅広部５が設けられている。また各検出振動片１５Ａ、１５Ｂの各対向面にそれぞれ溝９が形成されており、この結果各駆動振動片の横断面形状はＨ字状になっている。各溝９の内壁面には駆動電極１０が設けられている。
【００２６】
連結部２の下側には、一対の検出振動片１６Ａ、１６Ｂが突出している。そして各検出振動片１６Ａ、１６Ｂの先端にそれぞれ幅広部７が設けられている。各駆動振動片１５Ａ、１５Ｂに矢印Ａのように、Ｘ軸方向に向かって連結部２への付け根を中心として屈曲振動を励振する。この状態で振動子１ＣをＹ軸の周りにωのように回転させると、各検出振動片１６Ａ、１６Ｂに、矢印ＥのようにＺ軸方向の屈曲振動が励振される。この屈曲振動Ｅによって検出振動片１６Ａ、１６Ｂに惹起される電気信号を出力し、差動をとる。
【００２７】
図７は、本発明に係る振動子１１Ｄを概略的に示す斜視図である。連結部２から上方へと向かって一対の駆動振動片１５Ａ、１５Ｂが延びており、各駆動振動片の先端に幅広部５が設けられている。また各検出振動片１５Ａ、１５Ｂの各対向面にそれぞれ溝９が形成されており、この結果各駆動振動片の横断面形状はＨ字状になっている。各溝９の内壁面には駆動電極１０が設けられている。
【００２８】
連結部２の下側には、２対の検出振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄが突出している。そして各検出振動片１６Ａ〜１６Ｄの先端にそれぞれ幅広部７が設けられている。各駆動振動片１５Ａ、１５Ｂに矢印Ａのように、Ｘ軸方向に向かって連結部２への付け根を中心として屈曲振動を励振する。この状態で振動子１ＣをＹ軸の周りにωのように回転させると、各検出振動片１６Ａ〜１６Ｄに、矢印ＥのようにＺ軸方向の屈曲振動が励振される。この屈曲振動Ｅによって検出振動片１６Ａ、１６Ｂに惹起される電気信号を出力し、差動をとる。これと同時に、この屈曲振動Ｅによって検出振動片１６Ｃ、１６Ｄに惹起される電気信号を出力し、差動をとる。
【００２９】
図８は、図２〜図７に例示した横断面がＨ字形状の駆動振動片における駆動電極の構成例を示す一部断面図である。振動片は、一対の基部２０と、基部２０を連結する中央連結部２３とを備えており、これらによって一対の細長い溝９が形成されている。溝９内には駆動電極１０が形成されており、また基部２０の表面にも電極１０が形成されている。交流電源２５から各駆動電極１０に交流電圧を印加し、各屈曲振動片に交流電圧を印加し、矢印Ａ方向に駆動振動を励振する。
【００３０】
図８は、図６、図７に例示した横断面が十字形状の検出振動片における検出電極の構成例を示す一部断面図である。検出振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄにおいては、検出振動片の各表面２８から一対の細長い突起２７が突出しており、全体として十字形状の断面を有している。この屈曲振動に基づく電圧を検出電極２９および検出部３０において検出する。
【実施例】
【００３１】
図１、図２、図４、図５に示す各振動子を製造し、回転角速度検出時の感度および検出インピーダンスを測定した。
【００３２】
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。
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。振動子の寸法は、縦２．０ｍｍ、横２．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍであり、重量は約０．３ｍｇであった。
【００３３】
各振動子をパッケージに実装した。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。銅膜線の厚さを0.014ｍｍとし、幅を0.0５ｍｍとした。銅膜線の本数は6本である。振動子の連結部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恒温恒湿試験槽に入れた。そして、約４５ｋＨｚの駆動振動を電圧０．５ボルトで励振し、検出感度を測定した。また、印加電圧０．５ボルトにおいて検出インピーダンスをインピーダンスアナライザで測定した。
【００３５】
この結果を図１０、図１１に示す。ただし、図１０、図１１において、「検出アーム本数」と各振動子とは以下の対応関係にある。
「検出アーム本数」が２        図１の振動子１Ａ
「検出アーム本数」が３        図４の振動子１Ｂ
「検出アーム本数」が４        図２の振動子１１Ａ
「検出アーム本数」が６        図５の振動子１１Ｃ
【００３６】
この結果から分かるように、本発明によれば、振動子の検出インピーダンスを低減し、検出感度を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】参考例の振動子１Ａを概略的に示す斜視図である。
【図２】本発明例の振動子１１Ａを概略的に示す斜視図である。
【図３】本発明例の振動子１１Ｂを概略的に示す斜視図である。
【図４】参考例の振動子１Ｂを概略的に示す斜視図である。
【図５】本発明例の振動子１１Ｃを概略的に示す斜視図である。
【図６】参考例の振動子１Ｃを概略的に示す斜視図である。
【図７】本発明例の振動子１１Ｄを概略的に示す斜視図である。
【図８】横断面が略Ｈ字形状の駆動振動片における駆動電極の構成例を示す部分断面図である。
【図９】横断面が略十字形状の検出振動片における検出電極の構成例を示す部分断面図である。
【図１０】振動子における検出振動片の個数と検出感度との関係を示すグラフである。
【図１１】振動子における検出振動片の個数と検出インピーダンスとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
２  連結部          ３Ａ、３Ｂ  支持部          ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、１５Ａ、１５Ｂ  駆動振動片          ５、７  幅広部          ６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、６Ｈ、６Ｊ、６Ｋ  所定面内で屈曲振動する検出振動片          １１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ  振動子          １６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ  所定面と略垂直な方向に屈曲振動する検出振動片          Ａ  所定面内の駆動振動          Ｃ  所定面内の検出振動          Ｅ  所定面に略垂直な方向の検出振動          Ｙ  所定面に平行な検出軸          Ｚ  所定面に略垂直な検出軸          Ｘ−Ｙ  所定面          ω  回転
【図１】
2005249746.tif 000003
【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】
2005249746.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005249746.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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