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JP2006058101A - 振動片、振動子および応用機器 - Google Patents

振動片、振動子および応用機器 Download PDF

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JP2006058101A JP2004239093A JP2004239093A JP2006058101A JP 2006058101 A JP2006058101 A JP 2006058101A JP 2004239093 A JP2004239093 A JP 2004239093A JP 2004239093 A JP2004239093 A JP 2004239093A JP 2006058101 A JP2006058101 A JP 2006058101A
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Makoto Eguchi
誠 江口
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Seiko Epson Corp
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Abstract

【課題】 生産性に優れ、精度良く角速度を検出することのできる振動片を提供する。
【解決手段】 Z軸方向に厚みを有する圧電材料からなる振動片10において、振動片10の回転の回転軸となるY軸方向に沿って延在する棒状の腕部1a,1bと、腕部1a,1bの延在する方向に垂直なX軸方向に延在し、腕部1a,1bとXY平面上で接続する棒状の梁2とを備え、腕部1a,1bのXY平面で対向する面、およびYZ平面で対向する面に、腕部1a,1bをXY平面で屈曲振動をさせるための駆動電極20,21を設け、梁2のXY平面で対向する面に、振動片10のY軸を回転軸とする回転により腕部1a,1bに励起されたコリオリ力に付勢されて発生する、梁2の歪を検出するための検出電極30,31,40,41を設ける。
【選択図】 図2

Description

本発明は、ジャイロ振動子における振動片、振動子および当該振動子を備えた電子機器に関する。
一般に、ジャイロ振動子における振動片を圧電材料で形成した場合、振動片に駆動電極と検出電極を設け、駆動電極により振動片を屈曲振動させ、振動片に回転が生じた際にその振動片に励起されるコリオリ力に起因する歪を、検出電極で検出する方法がとられている。
例えば、特許文献1では、Z軸方向に厚みを有するH型の振動片において、Y軸方向に音叉腕が延在し、XY平面に音叉が配置され、Y軸回転の角速度を検出する振動片が開示されている。この振動片における電極の構成は、駆動腕(励振枝)の対向するXY平面に駆動電極を設け、検出腕(ピックアップ枝)の側面である、対向するYZ平面に検出電極を設けている。この検出電極は、検出腕に発生する歪を検出するために、検出腕の側面において厚さ方向に検出電極を分割して構成されている。
特開平7−55479号公報(図1から図3)
上記のような振動片は、圧電材料の単結晶をフォトリソグラフィにより、精度良くH型形状の外形および電極が形成されている。しかしながら、検出腕の側面の検出電極は、次の理由から精度良く形成できない。つまり、検出腕の側面は外形エッチングによりエッチングされていることに加え、圧電材料の結晶軸方向による異方性があるため、エッチングされた平面は平坦ではない。また、検出電極を厚さ方向に分割するためには、斜めに光をあてて露光をしなくてはならず、平面を垂直に露光する場合と比較して、露光精度が悪くなる。このように、検出腕の側面に精度よく電極を形成することが困難であり、生産性を低下させている。
さらに、検出電極の寸法精度と歪の検出感度には相関があり、検出電極の寸法精度が悪いと歪の検出感度を低下させる問題がある。このため、ジャイロ振動子の振動片として角速度の検出能力を低下させる問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、生産性に優れ、精度良く角速度を検出することのできる振動片を提供することにある。また、他の目的として、精度良く角速度を検出することのできる振動子および、前記振動子を備えた電子機器を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の振動片は、Z軸方向に厚みを有する圧電材料からなる振動片であって、前記振動片の回転の回転軸となるY軸方向に沿って延在する棒状の複数の腕部と、前記腕部の延在する方向に略垂直でX軸方向に延在し、前記腕部とXY平面上で接続する棒状の梁と、を備え、前記腕部のXY平面で対向する面、およびYZ平面で対向する面に、前記腕部をXY平面で屈曲振動をさせるための駆動電極を設け、前記梁のXY平面で対向する面に、前記振動片のY軸を回転軸とする回転により前記腕部に励起されたコリオリ力に付勢されて発生する、前記梁の歪を検出するための検出電極を設けたことを特徴とする。
この構成によれば、検出電極を平坦なXY平面に形成することができ、容易に寸法精度の良好な検出電極を得ることができる。このことから、生産性に優れ、角速度の検出感度の良い振動片を得ることができる。
本発明の振動片の材料である圧電材料は、水晶であることが望ましい。
また、本発明の振動片の材料である圧電材料は、リン酸ガリウム(GaPO4)であっていも良い。
このように、振動片を構成する圧電材料として、水晶やリン酸ガリウムを利用することにより、安定した振動を得ることができ、精度よく角速度を検出することができる。
また、本発明の振動片は、前記梁のXY平面の一方の面に、対となる少なくとも一対の検出電極と、前記梁のXY平面の他方の面に、対となる少なくとも一対の検出電極とを備えたことを特徴とする。
このように、同一平面上に少なくとも一対の検出電極を、梁の表裏にそれぞれ設けることにより、振動片のY軸回転にとっての外乱である加速度を検出することが可能となる。
また、本発明の振動片は、前記検出電極を前記梁の、二つの前記腕部の間に位置する部分に備えたことを特徴とする。
このように、コリオリ力に付勢されて梁の歪が大きく発生する、二つの腕部の間に位置する部分に検出電極を備えることにより、精度良く歪を検出することができ、角速度の検出能力の優れた振動片を得ることができる。
また、本発明の振動片は、前記振動片の形状および前記駆動電極、前記検出電極はフォトリソグラフィにより形成されたことを特徴とする。
このように、フォトリソグラフィにより振動片の外形形状および駆動電極、検出電極を形成することにより、外形および電極の寸法精度が良好に形成でき、角速度の検出感度の優れた振動片を得ることができる。
また、本発明の振動子は、上記振動片を備えたことを特徴とする。
このように、振動子は上記の振動片を備えており、生産性に優れ、角速度の検出感度の良い振動子を得ることができる。
また、本発明の電子機器は、上記振動子を備えたことを特徴とする。
このように、電子機器は角速度の検出感度に優れた振動子を具備しており、特性の優れた電子機器を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面に従って説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の振動片の形状を示す斜視図である。まず、本実施形態の振動片の形状について説明する。
振動片10は、圧電材料である水晶の大略Z板を用い、フォトリソグラフィにより、外形形状が形成されている。振動片10には、棒状の2つの腕部1a,1bを有し、腕部1a,1bはY軸方向に沿って所定の長さで延在している。そして、腕部1a,1bは、この腕部1a,1bの延在する方向に対してほぼ垂直(X軸方向)に延在した、棒状の梁2と接続されている。また、腕部1a,1bのそれぞれの一端は梁2から突出するように腕下端部1c,1dが形成されている。
梁2は腕部1a,1bの間に位置する検出梁部2aと、腕部1a,1bの外側に位置する接続梁部2b,2cから構成されている。梁2の接続梁部2bの端には第1の接続部3が、接続梁部2cの端には第2の接続部4が接続されている。また、梁2の検出梁部2aの中央部には第3の接続部8が接続されている。そして、第1の接続部3、第2の接続部4、第3の接続部8は基台5に接続されている。また、以上の振動片10の各部は、Z軸方向(厚み方向)に同一の厚さを有している。
なお、振動片10の材料として、圧電材料のリン酸ガリウム(GaPO4)を用いてもよい。
図2は振動片10の一方の面(表面)に配置された電極の構成を示す平面図であり、図3は図2の裏面に配置された電極の構成を示す平面図である。
腕部1aのXY平面の中央部には駆動電極20が形成され、腕部1aのXY平面の端部からYZ平面にかけて、もう一つの駆動電極21が形成されている。
駆動電極20は、腕部1aの腕下端部1cからXZ平面を通り、裏面の駆動電極20に繋がっている。このように、腕部1aのA−A破断線に沿う断面においては、駆動電極20は、腕部1aのXY平面に対向するように形成され、駆動電極21はYZ平面に対向するように形成されている。
また、振動片10の裏面の腕部1aに形成された駆動電極20にはリード電極22が接続され、第1の接続部3を通り基台5の端部に至っている。そして、基台5の端部からXZ平面を通り、基台5の表面に設けられた駆動電極パッド24に繋がっている。さらに、この駆動電極パッド24から、基台5の端部を経てXZ平面を通り裏面へ繋がり、腕部1bのXY平面の端部からYZ平面にかけて形成した、駆動電極20に繋がっている。
腕部1aに設けられたもう一つの駆動電極21は、リード電極23を通り、基台5に設けられた駆動電極パッド25に接続されている。そして、駆動電極パッド25からリード電極23を通り、腕部1bのXY平面の中央部に設けられた駆動電極21に繋がっている。さらに、駆動電極21は、腕部1bの腕下端部1dからXZ平面を通り、裏面の駆動電極21に繋がっている。このように、腕部1bのC−C破断線に沿う断面においては、駆動電極21は、腕部1bのXY平面に対向するように形成され、駆動電極20はYZ平面に対向するように形成されている。
以上のように、駆動電極20と駆動電極21とは異極となり、一対の駆動電極となるように構成されている。
なお、それぞれの腕部1a,1bのXY平面の端部からYZ平面にかけて形成した駆動電極は、少なくともYZ平面にあればよく、後述する駆動モードで腕部1a,1bにX軸方向の屈曲振動を励起することができる。
また、振動片10の一方の面(表面)のXY平面には、一対の検出電極30,31が形成されている。検出電極30は検出梁部2aの稜線に近い部分に設けられ、リード電極32が接続されている。リード電極32は第3の接続部8を通り、基台5に設けられた検出電極パッド34に接続されている。また、検出電極31は検出梁部2aのもう一方の稜線に近い部分に設けられ、リード電極33が接続されている。そして、リード電極33は第3の接続部8を通り、基台5に設けられた検出電極パッド35に接続されている。このように、検出電極30,31が対となり、表面の検出梁部2aに発生する歪を検出することが可能である。
さらに、振動片10の他方の面(裏面)のXY平面には、上記と同様に一対の検出電極40,41が形成されている。検出電極40は検出梁部2aの稜線に近い部分に設けられ、リード電極42が接続されている。リード電極42は第3の接続部8を通り、基台5の端部からXZ平面を経由して、基台5の表面に形成された検出電極パッド44に繋がっている。また、検出電極41は検出梁部2aのもう一方の稜線に近い部分に設けられ、リード電極43が接続されている。そして、リード電極43は第3の接続部8を通り、基台5の端部からXZ平面を経由して、基台5の表面に形成された検出電極パッド45に繋がっている。このように、検出電極40,41が対となり、裏面の検出梁部2aに発生する歪を検出することが可能である。
なお、駆動電極パッド24,25および検出電極パッド34,35,44,45は、他に設けられた配線に、ワイヤーボンディングや導電性接着剤などの接続手段で接続されるように設けられている。
以上の振動片10に配置された電極は、フォトリソグラフィにより寸法精度良く形成されており、電極の材料としてはAuが用いられている。
次に、以上の構成における振動片の、駆動モードと検出モードの動作について説明する。
図4は振動片の動作を説明する斜視図であり、図4(a)は駆動モードでの動作を示す斜視図、図4(b)は検出モードでの動作を示す斜視図である。
図5は圧電材料内の電界パターンを示す図である。図5(a)は駆動モードにおける図2のA−A断線に沿う断面図であり、同図(b)は駆動モードにおける図2のB−B断線に沿う断面図、同図(c)は検出モードにおける図2のC−C断線またはD−D断線に沿う断面図である。
振動片10の駆動モードでは、図4(a)に示すようにXY平面内で腕部1a,1bが屈曲振動をする。腕部1aの電極構成は、腕部1aのXY平面の中央部に、対向する駆動電極20が形成され、腕部1aのXY平面の端部からYZ平面にかけて、もう一つの対向する駆動電極21が形成されている。また、もう一方の腕部1bにも駆動電極20と駆動電極21が配置されている。腕部1bでは、屈曲振動が腕部1aとは逆相になるように駆動電極が構成されている。このことから、図5(a),(b)に示すように、例えば、駆動電極20に正の電圧、もう一つの駆動電極21に負の電圧が印加されると、電界は駆動電極20から駆動電極21に向かうように生ずる。このように、腕部1a,1bの中心を境にして、右側半分と左側半分とで電界の方向が逆になり、一方が伸びの歪を生じれば、他方は縮みの歪を生じ、腕部1a,1bは屈曲する。そして、駆動電極20と駆動電極21に交番電圧を印加すれば腕部1a,1bは屈曲振動をすることができる。
このように、腕部1aと腕部1bは、相互に逆相に振動するように駆動電極が構成されているため、腕部1a,1bの先端が近づいたり、遠ざかったりするように屈曲振動する。
次に振動片の検出モードについて説明をする。振動片10が上記の駆動モードで屈曲振動を行っている間に、Y軸を回転軸とする回転が生ずると、腕部1a,1bには図4(b)の実線矢印で示すZ軸方向に、コリオリ力Fおよび点線矢印で示したコリオリ力Fが交互に励起される。そして、腕部1a,1bに励起されたコリオリ力に付勢され、梁2に捩れによるせん断歪が生ずる。
図5(c)に示すように、梁2の検出梁部2aにおけるXY平面には、一対の検出電極30,31が配置され、裏面のXY平面に一対の検出電極40,41が配置されている。検出梁部2aに捩れが生ずると、図2のC−C断線およびD−D断線に沿う断面には同様な電界が発生する。電界の発生パターンは、例えば検出電極30から検出電極31へ電界が発生し、他方で検出電極41から検出電極40へ電界が発生する。
この検出梁部2aの表面と裏面に発生した歪を、検出電極30,31と検出電極40,41から電圧として取り出し、差動増幅し演算回路で処理することにより角速度の向き、大きさを検出することができる。
なお、検出電極の配置は本実施形態では検出梁部2aに設けたが、接続梁部2b,2cにも歪が発生しており、少なくとも接続梁部2b,2cのどちらかに検出電極を設けても、梁2の歪を検出することができ、角速度の検出が可能である。
次に、振動片10のY軸回転における、角速度の検出に対して外乱であるZ軸方向の加速度の検出について説明する。
図6は振動片にZ軸方向の加速度が加えられた時の状態を示す斜視図である。図7は振動片にZ軸方向の加速度が加えられた時の、圧電材料内の電界パターンを示す図であり、図7(a)は図2におけるC−C断線に沿う断面図、同図(b)は図2におけるD−D断線に沿う断面図である。
振動片10にZ軸方向に沿った加速度Faが加えられると、図6に示すように、腕部1a,1bはZ軸方向に同相関係で変形し、梁2に捩りが生ずる。このとき、検出梁部2aの図2におけるC−C断線に沿う断面では、例えば、検出電極30から検出電極31へ電界が発生し、検出電極41から検出電極40へ電界が発生する。一方、このとき検出梁部2aの図2におけるD−D断線に沿う断面では、検出電極31から検出電極30へ電界が発生し、検出電極40から検出電極41へ電界が発生する。
このように、検出梁部2aに生ずる電界は、角速度を検出する検出モードにおける電界の発生するパターンと異なるため、加速度が生じたモードを認識でき、角速度との区別が可能となる。
以上のように、本実施形態の振動片10は、検出電極30,31,40,41を厚さ方向で分割することがなく、XY平面に形成することができ、寸法精度の良い検出電極30,31,40,41を容易に得ることができる。また、振動片10のY軸回転における、角速度の検出に対して外乱であるZ軸方向の加速度の検出ができることから、角速度と加速度を分離できる。このことから、生産性に優れ、角速度の検出感度の良い振動片10を得ることができる。
(変形例1)
以下、検出電極の配置の変形例について説明する。
図8は振動片の一方の面(表面)に配置された電極の構成を示す平面図であり、図9は図8の裏面に配置された電極の構成を示す平面図である。振動片の外形形状および駆動電極、さらには振動片の動作については、上記で説明した振動片と同様なため、同符号を付し説明を省略する。
振動片100表面の検出梁部2aのXY平面には、二対の検出電極が設けられている。検出電極101,103は、表面のXY平面で一対の検出電極を構成し、検出電極102,104でもう一対の検出電極を構成している。検出電極101,103はそれぞれ、リード電極105,107に接続され、第3の接続部8を通り、基台5に設けられた検出電極パッド109,111に接続されている。同じように、検出電極102,104はそれぞれ、リード電極106,108に接続され、第3の接続部8を通り、基台5に設けられた検出電極パッド110,112に接続されている。
また、振動片100裏面の検出梁部2aのXY平面には、上記と同様に二対の検出電極が設けられている。検出電極121,123で一対の検出電極を構成し、検出電極122,124でもう一対の検出電極を構成している。検出電極121,123はそれぞれ、リード電極125,127に接続され、第3の接続部8を通り、基台5の端部からXZ平面を経由して、基台5の表面に形成された検出電極パッド129,131に繋がっている。同じように、検出電極122,124はそれぞれ、リード電極126,128に接続され、第3の接続部8を通り、基台5の端部からXZ平面を経由して、基台5の表面に形成された検出電極パッド130,132に繋がっている。
このように、梁2の検出梁部2aに表面に二対の検出電極、裏面に二対の検出電極を設けることにより、検出梁部2aの形状や電極の寸法誤差から生ずる歪の検出誤差を平均化することができ、検出梁部2aの歪をさらに精度良く検出することができる。このことから、さらに精度よく角速度の検出が可能となる。
(変形例2)
次に、振動片の形状を変形した場合の変形例について説明する。
図10は、振動片に3つの腕部を備えた振動片の平面図である。振動片200には、棒状の3つの腕部201a,201b,201cを有し、腕部201a,201b,201cはY軸方向に沿って所定の長さで延在している。そして、この腕部201a,201b,201cの延在する方向に対してほぼ垂直(X軸方向)に延在した、棒状の梁202と接続されている。また、腕部201a,201b,201cのそれぞれの一端は梁202から突出するように腕下端部201d,201e,201fが形成されている。
梁202は腕部201a,201bの間に位置する検出梁部202aと、腕部201b,201cの間に位置する検出梁部202b、腕部201a,201cの外側に位置する接続梁部202c,202dから構成されている。
梁202の接続梁部202cの端には第1の接続部203が、接続梁部202dの端には第2の接続部204が接続されている。また、梁202の検出梁部202aおよび202bの中央部には、第3の接続部205および第4の接続部206が接続されている。そして、第1の接続部203、第2の接続部204、第3の接続部205、第4の接続部206は基台205に接続されている。また、以上の振動片200の各部は、Z軸方向(厚み方向)には同一の厚さを有している。
腕部201a,201b,201cには、それぞれ、前述した駆動電極と同様な駆動電極(図示せず)が配置され、駆動モードでは、X軸方向に沿って、それぞれ隣り合う腕部が逆相関係で屈曲振動する。
また、検出梁部202a,202bの2箇所には、それぞれ、前述した検出電極と同様な検出電極(図示せず)が配置されている。Y軸回転における検出モードでは、Z軸方向に沿って、腕部201a,201b,201cが相互に逆相関係で屈曲する。このため、検出梁部202a,202bに歪が生じ、この歪を検出電極で検出することにより角速度の大きさ、方向を認識することができる。
(第2の実施形態)
図11は、本発明の実施形態の振動子を示す断面図である。
振動子50は、振動片10、回路素子52、収容容器51、蓋体53から構成されている。セラミックスなどで形成された収容容器51は、一面が開放されて凹部が設けられている。この凹部に、振動片10を導電性接着剤で接着することで、振動片10が収容容器51に固着および収容容器51に形成された配線(図示せず)と電気的接続がなされている。また、収容容器51の凹部の底面には、振動片10を駆動する駆動回路や、検出した歪を角速度信号として演算処理する演算回路を含む回路素子52が設けられている。回路素子52はワイヤボンディングにより収容容器に形成された配線に接続されている。そして、収容容器51の上面を蓋体53で、内部を真空雰囲気に保持して封止されている。
このように、振動子50は前述の振動片10を備えており、生産性に優れ、角速度の検出感度の良い振動子50を得ることができる。
(第3の実施形態)
次に、本発明に係る電子機器の実施形態について説明をする。
図12は、電子機器の構成を示す構成図である。電子機器60には上記の実施形態で説明したそれぞれの振動片を含む、振動子50を備えている。
実施形態の振動子を用いた電子機器として、その姿勢の変化を検出する必要がある携帯電話、デジタルカメラおよびナビゲーションシステムのような電子機器が挙げられる。
このような電子機器では、角速度の検出感度に優れた上記振動子を具備しており、特性の優れた電子機器を提供することができる。
本実施形態の振動片の形状を示す斜視図。 一方の面の振動片に配置された電極の構成を示す平面図。 図2の裏面に配置された電極の構成を示す平面図。 (a)は振動片の駆動モードでの動作を示す斜視図、(b)は振動片の検出モードでの動作を示す斜視図。 駆動モードおよび検出モードにおける電界パターンを示す図であり、(a)は駆動モードでの図2におけるA−A断線に沿う断面図、(b)は駆動モードでの図2におけるB−B断線に沿う断面図、(c)は検出モードでの図2におけるC−C断線またはD−D断線に沿う断面図。 振動片に加速度が生じた状態を示す斜視図。 加速度が生じた状態の梁における電界パターンを示す図であり、(a)は図2におけるC−C断線に沿う断面図、(b)は図2におけるD−D断線に沿う断面図。 変形例の一方の面の振動片に配置された電極の構成を示す平面図。 変形例における図8の裏面に配置された電極の構成を示す平面図。 他の変形例の振動片形状を示す平面図。 本実施形態の振動子の構成を示す断面図。 本実施形態の電子機器の構成を示す構成図。
符号の説明
1a,1b…腕部、2…梁、2a…検出梁部、2b,2c…接続梁部、3…第1の接続部、4…第2の接続部、5…基台、8…第3の接続部、10…振動片、20,21…駆動電極、22,23…リード電極、24,25…駆動電極パッド、30,31…検出電極、32,33…リード電極、34,35…検出電極パッド、40,41…検出電極、42,43…リード電極、44,45…検出電極パッド、50…振動子、60…電子機器、100…振動片、101,102,103,104,121,122,123,124…検出電極、200…振動片。

Claims (8)

  1. Z軸方向に厚みを有する圧電材料からなる振動片であって、
    前記振動片の回転の回転軸となるY軸方向に沿って延在する棒状の複数の腕部と、
    前記腕部の延在する方向に略垂直でX軸方向に延在し、前記腕部とXY平面上で接続する棒状の梁と、を備え、
    前記腕部のXY平面で対向する面、およびYZ平面で対向する面に、前記腕部をXY平面で屈曲振動をさせるための駆動電極を設け、
    前記梁のXY平面で対向する面に、前記振動片のY軸を回転軸とする回転により前記腕部に励起されたコリオリ力に付勢されて発生する、前記梁の歪を検出するための検出電極を設けたことを特徴とする振動片。
  2. 請求項1に記載の振動片において、前記圧電材料は水晶であることを特徴とする振動片。
  3. 請求項1に記載の振動片において、前記圧電材料はリン酸ガリウム(GaPO4)であることを特徴とする振動片。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の振動片において、前記梁のXY平面の一方の面に、対となる少なくとも一対の検出電極と、前記梁のXY平面の他方の面に、対となる少なくとも一対の検出電極と、を備えたことを特徴とする振動片。
  5. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の振動片において、前記検出電極を前記梁の、二つの前記腕部の間に位置する部分に備えたことを特徴とする振動片。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の振動片において、前記振動片の形状および前記駆動電極、前記検出電極はフォトリソグラフィにより形成されたことを特徴とする振動片。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動片を備えたことを特徴とする振動子。
  8. 請求項7記載の振動子を備えたことを特徴とする応用機器。
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