(57)【要約】【課題】Ｙ軸およびＺ軸周りの各回転角速度を測定可能な振動型ジャイロスコープ用振動子において、Ｚ軸周りの回転角速度に起因するＹ軸用検出振動アームの寄生振動を抑制し、これによるＹ軸周りの回転角速度の測定値の誤差を減少させることである。【解決手段】振動子１Ａは、Ｘ軸とＹ軸とを含む所定面に沿って形成されている。振動子１Ａは、駆動振動アーム４、Ｙ軸の周りに振動子が回転したときに、振動子の回転角速度に応じてＺ軸方向の検出振動が励起されるＹ軸用検出振動アーム３６、Ｚ軸の周りに振動子が回転したときに、振動子の回転角速度に応じて所定面内の検出振動が励起されるＺ軸用検出振動アーム３７、および基部２Ａを供えている。Ｙ軸用検出振動アーム３６が、細長いアーム本体８と、アーム本体８の先端に設けられている幅広部９を備えている。【選択図】            図６
2007108053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸とＹ軸とを含む所定面に沿って形成された振動子であって、
少なくとも前記所定面内で駆動振動する駆動振動アーム、
前記Ｙ軸の周りに前記振動子が回転したときに、この振動子の回転角速度に応じて前記所定面に対して略垂直なＺ軸方向の検出振動が励起されるＹ軸用検出振動アーム、
前記Ｚ軸の周りに前記振動子が回転したときに、この振動子の回転角速度に応じて前記所定面内の検出振動が励起されるＺ軸用検出振動アーム、および
前記駆動振動アーム、前記Ｙ軸用検出振動アームおよび前記Ｚ軸用検出振動アームを連結する基部
を備えており、前記Ｙ軸用検出振動アームが、細長いアーム本体と、このアーム本体の先端に設けられている幅広部を備えていることを特徴とする、振動子。
【請求項２】
前記Ｙ軸用検出振動アームが、前記所定面に略平行な一対の表面と、これらの表面からそれぞれ前記所定面に略垂直な方向に突出する一対の細長い突起とを備え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Ｙ軸用検出振動アームが、前記Ｙ軸と略平行に延びていることを特徴とする、請求項１または２記載の振動子。
【請求項４】
前記Ｚ軸用検出振動アームが、細長いアーム本体と、このアーム本体の先端に設けられている幅広部を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の振動子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の振動子、前記駆動振動アームに駆動振動を励振するための駆動手段、および前記Ｙ軸用検出振動アームの検出振動を検出するための検出手段を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ用測定素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子および振動型ジャイロスコープ用測定素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、所定面に平行なＹ軸と、所定面に垂直なＺ軸との両方の周りの各回転角速度を検出できるようなジャイロセンサが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２４８４６５号公報
【０００３】
本出願人は、特許文献２において、Ｙ軸周りの回転角速度を検出可能な振動子を開示した。しかし、特許文献２においては、所定面に略垂直なＺ軸周りの回転角速度を検出するジャイロは開示されておらず、多軸ジャイロには対応できない。
【特許文献３】特開２００４−３０１５５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
更に、本出願人は、特許文献３において、Ｙ軸周りの回転角速度およびＺ軸周りの回転角速度を同時に測定可能な振動型ジャイロスコープ用振動子を提案した。
【特許文献３】特願２００４−２９２４１
【０００５】
本発明者は、振動型ジャイロスコープを小型の電子機器、例えば携帯電話に内蔵することを検討している。しかし、このためには振動子の寸法を著しく小さくする必要があり、振動子の寸法は例えば数ｍｍ程度となる。この大きさになると、従来の振動子ではそれほど問題にならなかったような種々のノイズが問題になることが分かってきた
【０００６】
即ち、特許文献３に示すような多軸ジャイロを使用する際には、Ｙ軸周りの回転角速度とＺ軸周りの回転角速度とが同時にジャイロに加わる。従って、Ｙ軸周りの回転角速度に対するＺ軸周りの回転角速度の影響をカットすることが必要である。しかし、実際には、Ｚ軸周りの回転角速度によるＹ軸用検出振動アームの寄生振動は比較的に大きく、この寄生振動に起因するノイズがかなり大きくなることが判明してきた。
【０００７】
本発明の課題は、Ｙ軸およびＺ軸周りの各回転角速度を測定可能な振動型ジャイロスコープ用振動子において、Ｚ軸周りの回転角速度に起因するＹ軸用検出振動アームの寄生振動を抑制し、これによるＹ軸周りの回転角速度の測定値の誤差を減少させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、Ｘ軸とＹ軸とを含む所定面に沿って形成された振動子であって、
少なくとも所定面内で駆動振動する駆動振動アーム、
所定面内のＹ軸の周りに振動子が回転したときに、この振動子の回転角速度に応じて所定面に対して略垂直なＺ軸方向の検出振動が励起されるＹ軸用検出振動アーム、
Ｚ軸の周りに振動子が回転したときに、この振動子の回転角速度に応じて所定面内の検出振動が励起されるＺ軸用検出振動アーム、および
駆動振動アーム、Ｙ軸用検出振動アームおよびＺ軸用検出振動アームを連結する基部を備えており、Ｙ軸用検出振動アームが、細長いアーム本体と、このアーム本体の先端に設けられている幅広部を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記振動子、駆動振動アームに駆動振動を励振するための駆動手段、およびＹ軸用検出振動アームの検出振動を検出するための検出手段を備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ用測定素子に係るものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明者は、駆動振動アーム、Ｙ軸用検出振動アームおよびＺ軸用検出振動アームを基部を通して連結すると共に、Ｙ軸用検出振動アームの先端に幅広部を設けた。これによって、Ｚ軸周りの回転角速度がＹ軸用検出振動アームに及ぼす寄生振動を低減し、これによるＹ軸用検出振動アームにおけるＺ軸周りの回転角速度に対する感度を低減できることを見いだした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１、図２は、それぞれ、本発明の一実施形態に係る振動子１Ａを備えた振動型ジャイロスコープを概略的に示す斜視図である。図１では、Ｚ軸周りの回転角速度に対応する振動モードを示し、図２では、Ｙ軸周りの回転角速度に対応する振動モードを示す。図３は、駆動電極の形態を示す回路図であり、図４は、Ｚ軸検出電極の形態を示す回路図であり、図５は、Ｙ軸検出電極の形態を示す回路図である。図６は、振動子１Ａの寄生振動を示す斜視図であり、図７は、Ｙ軸用検出振動アームの先端に設けられた幅広部９を示す斜視図である。
【００１２】
振動子１Ａの基部２Ａは、振動子の重心Ｇを中心として、例えば２回対称の長方形をしている。基部２Ａの２つの短辺からそれぞれ支持部３が突出しており、各支持部３の先端側から支持部３に直交する方向に延びるように一対の駆動振動アーム４が設けられている。各駆動振動アーム４の先端は、駆動振動アーム４よりも幅の大きい幅広部５が設けられている。
【００１３】
また、基部２Ａの２つの長辺（Ｙ軸側側面）からは、それぞれ２本のＹ軸検出振動アーム３６が延びており、また基部２Ａの２つの長辺の各中央部からは、それぞれ１本のＺ軸検出振動アーム３７が延びている。各Ｙ軸検出振動アーム３６の先端には、それぞれ、アーム本体８よりも幅広い幅広部９が設けられている。また、各Ｚ軸検出振動アーム３７の先端には、それぞれ、各アーム本体６よりも幅広い幅広部７が設けられている。
【００１４】
駆動振動アーム４には、それぞれ、図３に示すように、一対の細長い溝１０が形成されている。すなわち、駆動振動アーム４は略Ｈ字形状を有しており、一対の基部１５と、一対の基部１５を連結する連結部１４とを備えている。そして、溝１０内には駆動電極１６、１８が形成されており、駆動振動アーム４の側面４ａ上には各駆動電極１７が形成されている。駆動電極１７と駆動電極１６との間に交流電圧を印加することによって、駆動振動アーム４を矢印ＡのようにＸ−Ｙ面内で屈曲振動させる。
【００１５】
また、Ｚ軸検出振動アームには、それぞれ、図４に示すように、一対の細長い溝２１が形成されている。すなわち、アーム本体６は略Ｈ字形状を有しており、一対の基部６ａと、一対の基部６ａを連結する連結部６ｂとを備えている。そして、溝１０内には検出側信号電極３２が形成されており、アーム本体６の側面上には各検出側接地電極３３が形成されている。検出振動アーム６を矢印ＣのようにＸ−Ｙ面内で屈曲振動させることによって、検出側信号電極３２と接地電極３３との間に信号電圧を発生させる。この信号に基づき、Ｚ軸の周りの回転角速度を算出する。
【００１６】
また、Ｙ軸検出用のアーム本体８の断面形態を図５に示す。このアーム本体８は、基部２０Ｃと、基部２０Ｃの表面２０ａから突出する一対の細長い突起２０Ａ、２０Ｂとを備えており、これによって略十字形状をなしている。表面２０ａは所定面（Ｘ−Ｙ面）に対して略平行である。そして、検出振動アーム８が矢印ＥのようにＺ軸方向に屈曲振動すると、検出電極３０、３１間に起電力が発生するので、この起電力を端子１５で検出する。
【００１７】
各駆動電極１６、１７、１８に交流電圧を印加し、各駆動振動アーム４に、Ｘ軸方向の駆動振動Ａを励振する。この状態で、図１に示すように、振動子１ＡをＺ軸を中心として回転させると、各支持部３に、Ｙ軸方向へと向かって、矢印Ｂのように屈曲振動する。これに対応して、各検出振動アーム３７に、矢印ＣのようにＸ−Ｙ面内で屈曲振動が生ずる。この屈曲振動を検出振動とし、検出する。
【００１８】
また、各駆動電極１６、１７、１８に交流電圧を印加し、各駆動振動アーム４に、Ｘ軸方向の駆動振動Ａを励振する。ここで、この状態で、図２に示すように、振動子１ＡをＹ軸を中心として回転させると、各駆動振動アーム４に、Ｚ軸方向へと向かって、矢印Ｄのような屈曲振動が励振される。これに対応して、各検出振動アーム３６に、矢印ＥのようにＺ方向で屈曲振動が生ずる。この屈曲振動を検出振動とし、検出する。
【００１９】
ここで、図６に示すように、Ｚ軸周りの回転に応じて、Ｚ軸用検出振動アーム３７に矢印ＦのようなＺ軸方向の寄生振動が生ずることがある。このような寄生振動は、振動子の製造プロセスや加工精度に起因するもので回避が困難である。これに応じて、各Ｙ軸用検出振動アーム３６にもＧのようにＺ軸方向の寄生振動が生じ、Ｚ周りの回転角速度に対するＹ軸用検出振動アームの感度として現れ、Ｙ軸周りの回転角速度の測定誤差として表されることが分かった。
【００２０】
本発明者は、このような知見に基づき、アーム本体８の先端に幅広部９を設けることによって、各Ｙ軸検出振動アームの振動は、Ｇで示すようなＺ軸方向の振動が抑制され、Ｊで示すようなねじれ振動が優勢となることがわかった。これによって、Ｚ軸周りの回転角速度によるＹ軸用検出振動アームの感度を低減することに成功し、本発明に到達した。
【００２１】
本発明においては、Ｙ軸用検出振動アームが、少なくとも、細長いアーム本体と、アーム本体の先端側に設けられた幅広部とを有する。幅広部とは、アーム本体の幅よりも大きな幅を有する部分のことを意味している。また、アーム本体の幅、幅広部の幅とは、所定面内の寸法を意味する。また、アーム本体の幅、幅広部の幅に変化がある場合には、それぞれその最大値とする。アーム本体、幅広部のＺ軸方向の寸法は「厚さ」とする。
【００２２】
Ｙ軸用検出振動アームのアーム本体の幅は限定されないが、強度の点からは、２０μm以上であることが好ましく、５０μm以上であることが更に好ましい。また、Ｙ軸用検出振動アームのアーム本体の幅は、感度の点からは２００μm以下であることが好ましく、１００μm  以下であることが更に好ましい。また、Ｙ軸用検出振動アームの幅広部９の幅ＷＨ（図７参照）のアーム本体８の幅ＷＡに対する割合（ＷＨ／ＷＡ）は、本発明の観点からは、１．５以上であることが好ましく、３以上であることが更に好ましい。ただし、（ＷＨ／ＷＡ）が大きくなりすぎると、隣接するＺ軸用検出振動アーム等の他のアームと接触する可能性があるので、（ＷＨ／ＷＡ）は、２０以下であることが好ましく、１０以下であることが更に好ましい。
【００２３】
本発明においては、振動子の少なくとも基部（好ましくは更に駆動振動アーム、検出振動アーム）が所定面（Ｘ−Ｙ面）内に延びているが、これは厳密に幾何学的意味で所定面内に延びていることを言うものではなく、本技術分野において常識的な値、例えば、厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に振動子が形成されていることを意味する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
配線、各電極、各パッドを製造する方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、電解メッキ法、無電解メッキ法等の公知の方法を採用できる。また、レーザーアブレーションや逆スパッタリングによって、配線から材質の一部を除去することによって、各配線を微調整できる。
【００２７】
以下、図１〜図７の素子を参照しつつ、本発明について更に詳細に説明する。
図８は、本発明の測定素子に適用可能な、駆動電極系の配線パターンを示すものである。各駆動振動アーム４にはそれぞれ駆動側信号電極３５と駆動側接地電極３６とが形成されている。各駆動側信号電極３５は配線６１を通して基部２Ａ上の配線パッド３７に接続されており、各駆動側接地電極３６は、それぞれ、配線６６を通して基部２Ａ上のパッド３８に接続されている。
【００２８】
図９は、一実施形態に係る測定素子１Ａにおける検出関係配線を示す平面図であり、図１０は、一実施形態に係るＹ軸検出側の基部２Ａの表面２ａでの配線パターンを模式的に示す所定面図であり、図１１は、図１０の実施形態に係るＹ軸検出側の基部２Ａの裏面２ｂ上の配線パターンを模式的に示す所定面図である。なお、駆動電極側の配線パターンは、図８に示したので図示省略する。
【００２９】
各Ｚ軸検出振動アーム６上には検出側信号電極３２と検出側接地電極３３とが形成されている。各検出側信号電極３２は、基部２Ａ上の検出側信号配線４２に接続されており、各検出側接地電極３３は、基部２Ａ上の検出側接地配線４３に接続されている。
【００３０】
また、Ｙ軸検出振動アーム上には、それぞれ、信号電極３０および接地電極３１が形成されている。信号電極３０は、基部２Ａの表面上の検出側信号配線４０および裏面上の検出側信号配線５０に接続されている。各接地電極３１は、基部２Ａの表面上の検出側信号配線４１および裏面上の検出側信号配線５１に接続されている。そして、図１０において左上側の信号電極３０と右上側の信号電極３０とは基部裏面上の検出側信号配線５０を通じて電気的に接続されている。また、図１０において左下側の信号電極３０と右下側の信号電極３０とは基部裏面上の検出側信号配線５０を通じて電気的に接続されている。
【００３１】
ここで、基部２の側面上における各配線の接続部について図示し、説明する。本例では、基部２のＸ軸側側面２ｅ、２ｆでは検出側配線の電気的接続を行っておらず、基部２のＹ軸側配線２ｃ、２ｄ側で検出側配線の電気的接続を行っている。側面２ｃ上での配線と側面２ｄ上での配線とは基本的に同じである。
【００３２】
図１２、図１３に示すように、基部表面のＹ軸用検出側信号配線４０は検出側信号配線接続部６０を通して裏面の検出側信号配線５０へと接続されている。基部表面のＹ軸用検出側接地配線４１は側面上の接続部６１を通して裏面の検出側接地配線５１へと接続されている。基部表面のＺ軸用検出側信号配線４２は接続部６２を通して裏面の検出側信号配線５２へと接続されている。基部表面のＺ軸用各検出側接地配線４３は側面上の接続部６３を通して検出側接地配線５３へと接続されている。本例では、特に図１２、図１３に模式的に示すように、接続部６１、６３、６２、６０がこの順番で並んでいる。例えば本例におけるように、Ｙ軸側の検出側信号配線接続部とＺ軸側の検出側信号配線接続部との間に少なくとも一種の検出側接地配線接続部を設けることが好適である。
【実施例】
【００３３】
（比較例１）
図１〜図７を参照しつつ説明した素子を作製し、Ｚ軸周りの回転角速度に対する、Ｙ軸用検出振動アームの感度を測定した。
具体的には、図１〜図７に示すような形態を有する振動子１Ａを、ホトリソグラフィーおよびエッチング技術を用いて製造した。ただし、Ｙ軸用検出振動アームに幅広部９は設けず、図１４に示すように、アーム本体の先端側に、アーム本体と同じ幅の突出部４７を設けた。従って、ＷＨ／ＷＡは１．０となる。振動子本体は、厚さ０．１ｍｍの水晶基板から作製した。また、各電極は、厚さ０．０３μｍのＣｒ（下地層）と厚さ０．２μｍの電極用Ａｕ膜とから形成した。各駆動振動アーム４の厚さ／幅の比率は、１．３とした。また、Ｙ軸用検出振動アームのアーム本体の幅を８０とし、Ｚ軸用検出振動アームのアーム本体の幅は６０とした。Ｙ軸、Ｚ軸関係の信号配線パターンは図９〜図１３の形態とした。
【００３４】
駆動周波数５０kHzとし、駆動振動アーム４を励振した。振動子に、Ｘ軸、Ｙ軸に対する回転は与えることなく、Ｚ軸の周りの回転角速度のみを与えた。これに対するＺ軸用検出振動アームからの検出値（Ｚ）と、Ｙ軸検出振動アームからの検出値（Ｙ）とを測定した。そしてＺに対するＹの割合（Ｙ／Ｚ）（％）を算出し、表１に示す。
【００３５】
【表１】
2007108053.tif 000003
【００３６】
（実施例１、２、３）
比較例１において、各Ｙ軸用検出振動アームにそれぞれ幅広部９を設けた。ＷＨ／ＷＡは、表１に示すように変更した。そして比較例１と同様にしてＹ軸用検出振動アームのＺ軸周りの回転角速度に対する感度（他軸感度）を測定し、測定結果を表１に示す。
【００３７】
これらの結果からわかるように、図１４に示すような比較例の振動子では、Ｚ軸周りの回転を与えたときにＹ軸用検出振動アームにＺ軸方向の屈曲振動が生じ、他軸感度が高くなる。これに対して、Ｙ軸用検出振動アームに幅広部を設けることにより、ねじれ振動が優勢となり、他軸感度が著しく低下した。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明を適用可能な測定素子１Ａを示す斜視図であり、駆動振動ＡおよびＺ軸検出振動モードＣを示す。
【図２】図１の測定素子１Ａを示す斜視図であり、駆動振動ＡおよびＹ軸検出振動モードＥを示す。
【図３】駆動振動アーム４の横断面図である。
【図４】Ｚ軸検出振動アーム本体６の横断面図である。
【図５】Ｙ軸検出振動アーム本体８の横断面図である。
【図６】振動子１Ａについて、Ｚ軸周りの回転が加わったときのＺ軸およびＹ軸用検出振動アームの各寄生振動を示す斜視図である。
【図７】Ｙ軸用検出振動アームの幅広部を示す斜視図である。
【図８】素子の駆動用配線例を示す図である。
【図９】振動子表面におけるＺ軸およびＹ軸用の配線例を示す図である。
【図１０】基部表面におけるＺ軸およびＹ軸用の配線例を示す図であり、上側の二つの検出側信号電極３０用の検出側信号配線４０と下側の二つの検出側信号電極３０用の検出側信号配線４０とが電気的に分離されている。
【図１１】基部裏面におけるＺ軸およびＹ軸用の配線例を示す図であり、上側の二つの検出側信号電極３０の検出側信号配線４０と下側の二つの検出側信号電極３０用の検出側信号配線４０とが電気的に分離されている。
【図１２】基部上の各配線と側面上の接続部との位置関係を模式的に示す斜視図である。
【図１３】図８、図９の設計で採用する基部２の配線パターンの斜視図である。
【図１４】本発明外の振動子１を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１、１Ａ  振動子            ２Ａ  基部            ２ａ  基部の表面            ２ｂ  基部の裏面            ４  駆動振動アーム            ６  Ｚ軸検出振動アーム本体            ７  Ｚ軸用検出振動アームの幅広部            ８  Ｙ軸検出振動アーム本体            ９  Ｙ軸用検出振動アームの幅広部          ３０  Ｙ軸用検出側信号電極            ３１  Ｙ軸用検出側接地電極            ３２  Ｚ軸用検出側信号電極            ３３  Ｚ軸用検出側接地電極            ３６  Ｙ軸用検出振動アーム            ３７  Ｚ軸用検出振動アーム            ４０  Ｙ軸用検出側信号配線            ４１  Ｙ軸用検出側接地配線            ４２  Ｚ軸用検出側信号配線            ４３  Ｚ軸用検出側接地配線              Ａ  駆動振動            Ｃ  Ｚ軸検出振動            Ｅ  Ｙ軸検出振動          Ｆ  Ｚ軸周りの回転に対応するＺ軸用検出振動アームのＺ軸方向の屈曲振動          Ｇ  Ｚ軸周りの回転に対応するＹ軸用検出振動アームの屈曲振動          Ｊ  Ｚ軸周りの回転に対応するＹ軸用検出振動アームのねじれ振動
【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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【図９】
2007108053.tif 000012
【図１０】
2007108053.tif 000013
【図１１】
2007108053.tif 000014
【図１２】
2007108053.tif 000015
【図１３】
2007108053.tif 000016
【図１４】
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