JP3958455B2

JP3958455B2 - 振動子、振動型ジャイロスコープおよび直線加速度計

Info

Publication number: JP3958455B2
Application number: JP35145898A
Authority: JP
Inventors: 菊池　　尊行; 庄作郷治; 幸久大杉; 隆雄相馬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: JP2000180173A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動型ジャイロスコープおよびこれに好適に使用できる振動子、および振動子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、回転系内の回転角速度を検出するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位置の確認用として利用されてきた。最近では、民生用の分野としてカーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメラの手振れの検出などに使用されている。
【０００３】
このような圧電振動型ジャイロスコープは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そして、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープとしては、これまでに種々のものが提案されている。例えば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。こうした振動子は、現在のところ、水晶板をエッチング処理することによって成形されている（例えば特開昭６０−７３４１４号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者が、水晶板をエッチング処理して振動子を作製することを試みたところ、振動子による回転角速度の検出感度にバラツキが生ずることがあった。
【０００５】
本発明者は、この原因を追求し、次の知見を得た。即ち、水晶板をエッチング処理することによって振動子を作製する場合には、その振動子が属する製造ロットによって、エッチングの時間やエッチング液の濃度にバラツキが生ずる。こうしたエッチング処理時のバラツキは、エッチング処理自体がウエットプロセスであることから、制御が困難な面がある。そして、これらのバラツキによって、振動子の屈曲振動片の駆動振動の固有共振周波数と検出振動の固有共振周波数の差にバラツキが生じ、このため振動子の感度にもバラツキが生ずるものと考えられた。
【０００６】
本発明の課題は、振動子の屈曲振動片の成形後の形状のバラツキに起因する、回転角速度等の検出対象の検出感度のバラツキを減少させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも一部が固定されている複数の屈曲振動片のそれぞれに、該屈曲振動片の各々の屈曲振動と外部の電気信号との間の変換を行うための励振手段と検出手段を分離して備える振動子の製造方法であって、正方形の平面形状をもつ基部と、該基部の二対の平行な周縁部のうちの一方の対の平行な周縁部からそれぞれ放射状に突出する二つの駆動振動系と、前記基部の他方の対の平行な周縁部からそれぞれ放射状に突出する二つの検出振動系とを具え、前記各駆動振動系が、前記基部の前記一方の対の平行な周縁部のいずれかの周縁部から突出する支持部と、該支持部の先端から当該支持部に直交する方向でかつそれぞれ逆方向に延びる二つの第１屈曲振動片とを有し、前記各検出振動系が、前記基部の前記他方の対の平行な周縁部のいずれかの周縁部から突出する一つの第２屈曲振動片を有する振動子の素材のうちの第１及び第２屈曲振動片となるべき箇所に凹部を形成する工程と、前記振動子の素材をエッチング処理することにより振動子を形成する工程と、前記第１屈曲振動片の前記凹部が形成されていない領域に励振手段を設けるとともに、前記第２屈曲振動片の前記凹部が形成されていない領域に検出手段を設ける工程とを有することを特徴とする、振動子の製造方法に係るものである。
【０００８】
また、本発明の製造方法では、前記凹部を設ける領域を、前記第１および第２屈曲振動片の振動子本体への固定端部から当該屈曲振動片の開放端部までの長さを１．０としたときに、前記固定端部から０．６である部位から開放端部までの領域とすること、前記第１および第２屈曲振動片の各々に、複数の凹部を設けること、前記第１および第２屈曲振動片の各々に拡幅部を形成し、該各拡幅部の中に少なくとも一つの前記凹部を設けること、および／または、前記振動子が所定平面内で屈曲振動するよう構成することが好ましい。
【０００９】
また、本発明は、回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、前記方法により製造した振動子を備えていることを特徴とする。また、本発明は、直線加速度を検出するための直線加速度計であって、前記方法により製造した振動子と、この振動子に直線加速度が加わったときに前記振動子に加わるニュートンの力による振動子の変形を検出するための検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明者は、振動子の屈曲振動片のうち、励振手段または検出手段が設けられていない領域に凹部を設けることによって、あるいは、屈曲振動片が屈曲振動する際の内部歪みが相対的に小さい領域に凹部を設けることによって、振動子を成形した後の振動子の屈曲振動片の駆動振動の固有共振周波数と検出振動の固有共振周波数の差のバラツキを抑制できることを見いだした。この原理について、図１、図２を参照しつつ、説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電単結晶製の振動子を備えた振動型ジャイロスコープを、概略的に示す平面図である。基部３１は、振動子の重心ＧＯを中心として、４回対称の正方形をしている。基部３１の周縁部３１ａから、四方に向かって放射状に、二つの駆動振動系１Ａ、１Ｂと二つの検出振動系２Ａ、２Ｂとが突出しており、各振動系は互いに分離されている。駆動振動系１Ａと１Ｂとは重心ＧＯを中心として２回対称であり、検出振動系２Ａと２Ｂとは重心ＧＯを中心として２回対称である。
【００１３】
駆動振動系１Ａ、１Ｂは、基部３１の二対の平行な周縁部のうちの一方の対の平行な周縁部から３１ａからそれぞれ突出する支持部１２Ａ、１２Ｂと、支持部１２Ａ、１２Ｂの先端１２ｂ側から支持部に直交する方向に延びる屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄを備えている。各屈曲振動片１３Ｃ、１３Ｄは、更には、支持部１２Ａ、１２Ｂの先端１２ｂからそれぞれ逆方向に延びる二つの第１屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、および１６Ｃ、１６Ｄからなる。各第１屈曲振動片１６Ａ−１６Ｄには、それぞれ励振手段である駆動電極１１Ａ、１１Ｂが設けられている。各検出振動系２Ａ、２Ｂは、前記基部３１の前記他方の対の平行な周縁部からそれぞれ突出する各一つの第２屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄからなり、各第２屈曲振動片には検出手段である検出電極１０Ａ、１０Ｂが設けられている。
【００１４】
この振動子の駆動振動の振動モードにおいては、各第１屈曲振動片１６Ａ−１６Ｄが、各支持部１２Ａ、１２Ｂの各先端部分１２ｂ付近を中心として、矢印５Ａ、５Ｂのように、主として径方向に向かって屈曲振動している。検出振動の振動モードにおいては、各支持部１２Ａ、１２Ｂが、固定部１２ａを中心として周方向に屈曲振動し、これに対応して、各検出振動系２Ａ、２Ｂの各第２屈曲振動片１４Ｃ、１４Ｄが、矢印６Ａ、６Ｂのように屈曲振動する。
【００１５】
各屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１４Ｃ、１４Ｄにおいて、駆動電極１１Ａ、１１Ｂ、検出電極１０Ａ、１０Ｂよりも先端側に、凹部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄを設ける。なお、８は各屈曲振動片の固定部分であり、９は各屈曲振動片の一方の端部であり、１９は各屈曲振動片の他方の端部である。
【００１６】
こうした凹部の作用効果について述べる。図２に示すように、屈曲振動片をエッチングによって作製する際には、実線で示す設計形状に対して、破線で示すように、エッチングが更に進行し、即ちオーバーエッチングが起こることがある。この際、屈曲振動片の先端面２１のエッチングが進行すると、屈曲振動片の質量が減少するので、その共振周波数が上がる。一方、屈曲振動片の側面２２のエッチングが進行すると、屈曲振動片が細くなることから、その共振周波数が下がる。この結果、全体としては、側面２２のエッチングの効果が大きくなり、その共振周波数が下がる傾向があることがわかった。
【００１７】
そこで、本発明に従い、第１および第２屈曲振動片の各々に貫通孔１７Ａ−１７Ｄを設けることによって、側面２２のオーバーエッチングが破線のように進行したときには、凹部１７Ａ−１７Ｄのエッチングも、破線に示すように進行する。言い換えると、各凹部の実線で示す設計形状１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄに対して、各凹部のエッチングが更に進行し、１７Ａ−１７Ｄで示す形状の凹部が実際には形成される。この結果、設計された凹部１８Ａ−１８Ｄに比べて、実際の凹部１７Ａ−１７Ｄが大きくなり、この結果、設計値よりも屈曲振動片の先端側の質量が減少する。
【００１８】
例えば、第１及び第２屈曲振動片が水晶からなり、その長さが６ｍｍであり、幅が１．０ｍｍであり、厚さが０．３ｍｍである場合、側面２２が設計値よりも１μｍエッチングされると、駆動、検出の各共振周波数の差が、設計値に対して約２．８５Ｈｚ変化する。これに対して、長さ０．４ｍｍ、幅０．３ｍｍの貫通孔１７Ａ−１７Ｄを設けることによって、設計値に対して、共振周波数差が０．０８Ｈｚしか変化しない。
【００１９】
また、第１および第２屈曲振動片に拡幅部を設け、この拡幅部に凹部を設けることによって、凹部の前記効果を一層大きくできる。または、凹部を小さくしても、前記の効果が得られる。
【００２０】
図３は、この実施形態に係る振動型ジャイロスコープを示す。図３の振動型ジャイロスコープは、図１のものと基本的に同様である。前記第１および第２屈曲振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１４Ｃ、１４Ｄの各先端に、各屈曲振動片の幅よりも大きな幅を有する拡幅部２５、２６を設け、各拡幅部２５、２６の中に、各凹部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが設けられている。
【００２１】
本発明に従って第１および第２屈曲振動片に設けられる凹部とは、前記屈曲振動片の表面に比べて凹んでいる空間部分の総称である。ここで、凹部は盲孔でも良いが、凹部を貫通孔とすることによって、前記したオーバーエッチング時の屈曲振動片の質量の減少効果が一層大きくなる。
【００２２】
第１屈曲振動片において凹部を形成する位置は、励振手段とは離れた位置とし、第２屈曲振動片において凹部を形成する位置は、検出手段とは離れた位置とする。この際、各凹部は、検出手段または励振手段とは０．３ｍｍ以上離して設けることが好ましい。
【００２３】
または、第１および第２屈曲振動片において凹部を形成する位置は、屈曲振動片が屈曲振動する際の内部歪みが相対的に小さい領域内とする。なぜなら、励振手段または検出手段は、屈曲振動片が屈曲振動する際の内部歪みが相対的に大きい領域内に通常設けられている。これは、屈曲振動片の内部歪みが相対的に大きい領域は、電気信号に対する応答性が高いことを意味しているからである。これに対して、本発明の凹部を、こうした内部歪みが高い領域を避けて設けることによって、屈曲振動片の電気機械的特性に悪影響を与えることなく、あるいは大きな変動をもたらすことなく、屈曲振動片の質量に対してのみ所望の作用をもたらすことができる。
【００２４】
ここで、屈曲振動片において内部歪みが相対的に小さい領域とは、屈曲振動片の内部歪みの最大値に対して小さいことを意味しているが、最大値の１／２以下であることが好ましい。なお、屈曲振動片の各点の内部歪みは、屈曲振動片の特定の屈曲振動モードにおける各点の振幅を微分することによって、得ることができる。
【００２５】
屈曲振動片において内部歪みが相対的に小さい領域は、屈曲振動片の固定部の位置と、屈曲振動のモードによって変化するが、一般的には次のことが言える。
【００２６】
屈曲振動片の長さを１．０としたとき、屈曲振動片の振動子本体への固定部分から０．６（好ましくは０．５）の長さまでの領域は、屈曲振動時の内部歪みが大きく、従って検出手段または励振手段を設けるのに適している。屈曲振動片の開放端部から０．４（好ましくは０．３）の長さまでの領域は、屈曲振動時の内部歪みが小さく、従って凹部を設けるのに適している。
【００２７】
図１−図３に示すように、屈曲振動片の一方の端部を振動子の本体に対して固定し、屈曲振動片の他方の端部を開放させたときには、屈曲振動片の全長を１．０とすると、屈曲振動片の一方の端部から０．６（好ましくは０．５）の長さまでの領域が内部歪みが大きく、この領域内に検出手段または励振手段を設けることが好ましい。また、屈曲振動片の他方の端部から０．４（好ましくは０．３）の長さまでの領域は内部歪みが相対的に小さく、この領域内に凹部を設けることが好ましい。
【００２８】
屈曲振動片の一方の端部と他方の端部とを、それぞれ、振動子の本体に対して固定したときには、屈曲振動片の全長を１．０とすると、屈曲振動片の一方の端部、および他方の端部から０．３（好ましくは０．２５）の長さまでの各領域が、内部歪みが大きく、これらの各領域内に検出手段または励振手段を設けることが好ましい。また、屈曲振動片の一方の端部および他方の端部からそれぞれ０．３（好ましくは０．２５）以上の長さ離れた領域は、内部歪みが相対的に小さく、この領域内に凹部を設けることが好ましい。
【００２９】
屈曲振動片の中央部を振動子の本体に対して固定し、振動子の一方の端部と他方の端部とを開放させることもできる。この場合には、屈曲振動片の全長を１．０とすると、屈曲振動片の固定部位から、一方の端部および他方の端部へと向かって、０．３（好ましくは０．２５）の長さ離れた位置までの領域が、内部歪みが大きく、これらの各領域内に検出手段または励振手段を設けることが好ましい。また、屈曲振動片の一方の端部および他方の端部を起点として、一方の端部および他方の端部からそれぞれ０．２（好ましくは０．１５）の長さ離れた位置までの領域は、内部歪みが相対的に小さく、この領域内に凹部を設けることが好ましい。
【００３０】
本発明の振動子の変位は、特に好ましくは、所定面内で生ずる。この場合には、振動子の全体を、同一の圧電単結晶によって形成することができる。この場合には、まず圧電単結晶の薄板を作製し、この薄板をエッチングにより加工することによって、振動子を作製できる。
【００３１】
平板形状の材料、例えば水晶等の圧電単結晶の平板状の材料から、エッチングプロセスによって振動子を形成する場合には、振動子の各屈曲振動片に、特定形状の突起、例えば細長い突起が生成することがある。このような突起は、厳密には設計時に予定された振動子の対称性を低下させる原因となる。しかし、この突起は存在していても良く、突起の高さは小さい方が好ましいが、突起の高さが、屈曲振動片の幅の１／５以下であれば一般に問題なく使用できる。他の製造上の原因による突起以外の非対称部分が振動子に存在する場合にも同様である。
【００３２】
また、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。
【００３３】
前記した単結晶の中では、ＬｉＮｂＯ₃単結晶、ＬｉＴａＯ₃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が、電気機械結合係数が特に大きい。また、ＬｉＴａＯ₃単結晶が、ＬｉＮｂＯ₃単結晶よりも比重が大きいため、感度が大きく、かつ温度安定性も一層良好である。
【００３４】
圧電単結晶を使用すると、検出感度を良好にすることができるとともに、検出ノイズを小さくできる。しかも、圧電単結晶を使用すると、温度変化に対して特に鈍感な振動子を作製でき、このような振動子は、温度安定性を必要とする車載用として好適である。この点について更に説明する。
【００３５】
音叉型の振動子を使用した角速度センサとしては、例えば特開平８−１２８８３３号公報に記載された圧電振動型ジャイロスコープがある。しかし、こうした振動子においては、振動子が２つの方向に向かって振動する。このため、振動子を特に圧電単結晶によって形成した場合には、圧電単結晶の２方向の特性を合わせる必要がある。しかし、現実には圧電単結晶には異方性がある。
【００３６】
一般に圧電振動型ジャイロスコープでは、測定感度を良好にするために、駆動の振動モードの固有共振周波数と検出の振動モードの固有共振周波数との間に、一定の振動周波数差を保つことが要求されている。しかし、圧電単結晶は異方性を持っており、結晶面が変化すると、振動周波数の温度変化の度合いが異なる。例えば、ある特定の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数の温度変化がほとんどないが、別の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数が温度変化に敏感に反応する。従って、振動子が２つの方向に向かって振動すると、２つの振動面のうち少なくとも一方の面は、振動周波数の温度変化が大きい結晶面になる。
【００３７】
これに対して、振動子の全体を所定面内で振動するようにし、かつ振動子を圧電単結晶によって形成することで、単結晶の最も温度特性の良い結晶面のみを振動子において利用できるようになった。
【００３８】
即ち、振動子の全体が所定平面内で振動するように設計されていることから、圧電単結晶のうち振動周波数の温度変化がほとんどない結晶面のみを利用して、振動子を製造することができる。これによって、きわめて温度安定性の高い振動型ジャイロスコープを提供できる。
【００３９】
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、励振手段、検出手段として、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。
【００４０】
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、検出手段、励振手段として、圧電体を取り付ける必要がある。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、振動子の屈曲振動片の成形後の形状のバラツキに起因する、回転角速度等の検出対象の検出感度のバラツキを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロスコープを示す平面図であり、各屈曲振動片の先端側に貫通孔が形成されている。
【図２】各屈曲振動片のエッチングの進行の状況を説明するための模式図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る振動型ジャイロスコープを示す平面図であり、各屈曲振動片の先端側に拡幅部が設けられており、拡幅部内に貫通孔が形成されている。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ駆動振動系２Ａ、２Ｂ検出振動系５Ａ、５Ｂ駆動振動６Ａ、６Ｂ検出振動１０Ａ、１０Ｂ検出電極１１Ａ、１１Ｂ駆動電極１４Ａ、１４Ｂ検出振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ駆動振動片１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ凹部（貫通孔）１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ凹部の設計形状

Claims

少なくとも一部が固定されている複数の屈曲振動片のそれぞれに、該屈曲振動片の各々の屈曲振動と外部の電気信号との間の変換を行うための励振手段と検出手段を分離して備える振動子の製造方法であって、
正方形の平面形状をもつ基部と、該基部の二対の平行な周縁部のうちの一方の対の平行な周縁部からそれぞれ放射状に突出する二つの駆動振動系と、前記基部の他方の対の平行な周縁部からそれぞれ放射状に突出する二つの検出振動系とを具え、前記各駆動振動系が、前記基部の前記一方の対の平行な周縁部のいずれかの周縁部から突出する支持部と、該支持部の先端から当該支持部に直交する方向でかつそれぞれ逆方向に延びる二つの第１屈曲振動片とを有し、前記各検出振動系が、前記基部の前記他方の対の平行な周縁部のいずれかの周縁部から突出する一つの第２屈曲振動片を有する振動子の素材のうちの第１及び第２屈曲振動片となるべき箇所に凹部を形成する工程と、
前記振動子の素材をエッチング処理することにより振動子を形成する工程と、
前記第１屈曲振動片の前記凹部が形成されていない領域に励振手段を設けるとともに、前記第２屈曲振動片の前記凹部が形成されていない領域に検出手段を設ける工程と
を有することを特徴とする、振動子の製造方法。
前記凹部を設ける領域を、前記第１および第２屈曲振動片の振動子本体への固定端部から当該屈曲振動片の開放端部までの長さを１．０としたときに、前記固定端部から０．６である部位から開放端部までの領域とすることを特徴とする、請求項１に記載の振動子の製造方法。
前記第１および第２屈曲振動片の各々に、複数の凹部を設けることを特徴とする、請求項１または２記載の振動子の製造方法。
前記第１および第２屈曲振動片の各々に拡幅部を形成し、該各拡幅部の中に少なくとも一つの前記凹部を設けることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動子の製造方法。
前記振動子が所定平面内で屈曲振動するよう構成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動子の製造方法。
回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法により製造された振動子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。
直線加速度を検出するための直線加速度計であって、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法により製造された振動子と、この振動子に直線加速度が加わったときに前記振動子に加わるニュートンの力による前記振動子の変形を検出するための検出手段とを備えることを特徴とする、直線加速度計。