(57)【要約】 【課題】  圧電振動子に高Ｑｍな単結晶材料を用いて安定な支持方法を得ることができ、感度のばらつきが小さく、高感度な圧電振動ジャイロ及びその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】  圧電振動ジャイロ用振動子１はシリコン基板１０をシム材として、その両面に単結晶圧電材料の矩形板１５ａ、１５ｂを有するバイモルフ構造である圧電振動ジャイロであり、また、前記圧電振動子を支持するための支持体１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、屈曲振動の節点近傍のシリコン基板をエッチングする方法で形成する圧電振動ジャイロの製造方法である。【選択図】  図１
2005201808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子の屈曲振動モードを利用して回転角速度を検出する圧電振動ジャイロにおいて、前記圧電振動子はシリコン基板をシム材として、その両面に圧電単結晶板を有するバイモルフ構造であることを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項２】
前記圧電振動子を支持するための支持体は、屈曲振動の節点近傍のシリコン基板を細いＬ字形にエッチングする方法で形成することを特徴とする請求項１記載の圧電振動ジャイロの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いた圧電振動ジャイロ及びその製造方法に関し、特に圧電単結晶とシリコン基板を用いた圧電振動ジャイロ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電振動ジャイロは、ビデオカメラの手ぶれ補正や、船舶、自動車等の移動体に搭載される機器類の姿勢を制御する制御装置や、自動車のナビゲーションシステム、ロールオーバー用エアバッグシステム等の幅広い分野で用いられている。
【０００３】
一般に、圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転角速度が与えられると、その振動方向と直角方向にコリオリ力を生じるという力学現象を利用したジャイロスコープに属する。この圧電振動ジャイロを構成する圧電振動子は、互いに直交する２つの方向の励振とその検出とが可能であるように構成した振動系を形成している。この振動系において、一方の入力側で振動を励振した状態で圧電振動子自体を長軸中心に回転させると、前述したコリオリ力の作用によって、この振動と直角な方向に力が働き、他方の出力側で振動が励振される。ここで、出力側に励振される振動の大きさは、入力側の振動の大きさおよび圧電振動子の回転角速度に比例する。
【０００４】
そこで、入力側における振動励振のための入力電圧（駆動電圧）を一定にした状態で、出力電圧（検出電圧）の大きさを検出すると、回転角速度の大きさを求めることができる。高感度で高精度な圧電振動ジャイロを得るためには、圧電振動子の材料として、温度的に安定で、機械的品質係数（以下、Ｑｍ）の高い単結晶材料、例えば水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、ニオブ酸タンタル（ＬｉＴａＯ3）等が用いられる。
【０００５】
しかしながら、圧電振動子の屈曲振動モードを利用して回転角速度を検出する圧電振動ジャイロは、圧電振動子を支持する必要があり、理想的には屈曲振動の節点で屈曲振動を妨げないよう支持しなければならない。圧電振動子の支持位置が屈曲振動の節点近傍からずれたり、支持点が必要以上に大きくなったりすると、屈曲振動を妨げてしまい、圧電振動子のＱｍが低下して圧電振動ジャイロの感度が低下し、不要成分の出力が大きくなり、温度特性が劣化する等の問題が生じる。さらに、高Ｑｍな単結晶材料を圧電振動子として用いると、支持点の影響を受けやすくなるため、接続方法が難しくなるという問題がある。
【０００６】
支持点の影響を改善した圧電振動子の支持方法に関する先行公知文献としては、圧電振動子と支持部との固定部分において、局所的にスリットを形成することを特徴とする圧電振動ジャイロを構成した先行文献がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来の圧電振動ジャイロを図２および図３に示す。図２は、従来の圧電振動ジャイロの斜視図である。図３は、従来の圧電振動ジャイロ用振動子で、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は正面図である。図２、図３に示すように、従来の圧電振動ジャイロ２は、枠体２３と一体成形されている上部支持ワイヤー２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと下部支持ワイヤー２４ａ、２４ｂとで圧電振動子２１を支持固定する構造を有し、圧電振動子２１の下部支持ワイヤー２４ａ、２４ｂとの固定部にスリット２５を形成することで、支持位置のばらつきを抑えようとするものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１８５４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述の支持方法は、圧電振動子と支持の固定部において、ワイヤーと振動子を接着剤や半田等により固着する必要があり、接着剤や半田の量を適切に制御しないと、Ｑｍ低下や特性のばらつきの原因になるという問題点がある。さらには、ＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3等のＱｍの高い単結晶材料を圧電振動子に用いると、支持部の構造のＱｍへの影響が拡大されるため、特性の劣化が顕著になるという問題点がある。そこで、本発明は、圧電振動子に高Ｑｍな単結晶材料を用いて安定な支持方法を得ることができ、その結果、高感度な圧電振動ジャイロ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、圧電振動子の屈曲振動モードを利用して回転角速度を検出する圧電振動ジャイロにおいて、前記圧電振動子はシリコン基板をシム材として、その両面に圧電単結晶板を有するバイモルフ構造であることを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記圧電振動子を支持するための支持体は、屈曲振動の節点近傍のシリコン基板を細いＬ字形にエッチングする方法で形成することを特徴とする圧電振動ジャイロの製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１１】
以上述べた通り、圧電振動子と支持部の接続部分のばらつきなく位置精度良く形成することができ、支持部の影響を抑制することができるので、圧電振動子に高Ｑｍな単結晶材料を用いて安定な支持方法を得ることができ、その結果、高感度な圧電振動ジャイロおよびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態を図面に従って説明する。
【００１３】
図１は、本発明の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の一例である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は底面図、図１は（ｃ）側面図である。図１に示すように、本発明の圧電振動ジャイロ用圧電振動子は、厚さ０．４ｍｍ、幅１２．５ｍｍ、長さ２５ｍｍのシリコン基板１０のをシム材として、その表裏両面に、厚さ方向に分極したＬｉＮｂＯ3単結晶圧電材料寸法１ｍｍ−２ｍｍ−１８ｍｍの矩形板１５ａ、１５ｂを、水素結合を利用した直接接合にて貼り合わせ、この際、一方の矩形板１５ａともう一方の矩形板１５ｂで分極軸が対向するように貼り合わせバイモルフ構造とした。
【００１４】
直接接合の条件は、接合面を鏡面にし、アンモニア過酸化水素水溶液と純水で洗浄した後、基板を重ね合わせ、大気中４５０℃で１時間熱処理をした。その後、図１（ａ）、図１（ｂ）にハッチングで示したエッチング部１７以外の部分をフォトレジストでマスクして、シリコン基板１０を市販のシリコンエッチング液でエッチングし、支持体１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを形成した。その後、単結晶圧電材料の矩形板の表面に真空蒸着により、駆動電極１１、検出電極１２、１３、ＧＮＤ電極１４を形成し、シリコン基板上に形成したランド電極１１′、１２′、１３′、１４′に接続し、圧電振動ジャイロ用振動子１とし、パッケージに収納後、駆動検出処理回路に接続することにより、圧電振動ジャイロを試作した。
【００１５】
圧電振動ジャイロの感度は、圧電振動子のＱｍに比例するので、圧電振動子のＱｍのばらつきは圧電振動ジャイロの感度のばらつきに比例する。表１に、単結晶圧電材料としてＬｉＮｂＯ3を使用した時の、本発明の構造の圧電振動子のＱｍとそのばらつきの測定結果を示した。比較例として、特許文献１の圧電振動子にスリットを入れて支持ワイヤーで支持固定した構造の圧電振動子のＱｍとそのばらつきも示した。
【００１６】
【表１】
2005201808.tif 000003
【００１７】
表１から、本発明の構造の圧電振動子の方がＱｍのばらつきを示す標準偏差が比較例の圧電振動子の１／３程度に小さいことが分かる。従って、本発明の圧電振動ジャイロの感度のばらつきも比較例の１／３に小さく出来ることが明らかである。また、Ｑｍの平均値は、比較例の圧電振動子の方が、本発明の構造の圧電振動子より５００程度低くなっているが、これは支持の影響が圧電振動子の屈曲振動を妨げていることを意味しているので、本発明の構造の圧電振動ジャイロが、Ｑｍの高い分、比較例より高感度であることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施するための最良の形態の圧電振動ジャイロ用圧電振動子を示す図、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は底面図、図１（ｃ）は側面図。
【図２】従来の圧電振動ジャイロの斜視図。
【図３】従来の圧電振動ジャイロ用振動子を示す図、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は正面図。
【符号の説明】
【００１９】
１  圧電振動ジャイロ用振動子
２  従来の圧電振動ジャイロ
１０    シリコン基板
１１    駆動電極
１２    検出電極
１３    検出電極
１４    ＧＮＤ電極
１１′，１２′，１３′，１４′    シリコン基板上に形成したランド電極
１５ａ，１５ｂ    単結晶圧電材料の矩形板
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ    支持体
１７    エッチング部
２１    圧電振動子
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ    上部支持ワイヤー
２３    枠体
２４ａ，２４ｂ    下部支持ワイヤー
２５    スリット
【図１】
2005201808.tif 000004
【図２】
2005201808.tif 000005
【図３】
2005201808.tif 000006