JP4305947B2

JP4305947B2 - 振動型ジャイロスコープ

Info

Publication number: JP4305947B2
Application number: JP2003187356A
Authority: JP
Inventors: 庄作郷治; 菊池　　尊行
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005024298A

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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、特許文献１において、屈曲振動片の両側面の付け根にそれぞれテーパー部を設けることによって、ゼロ点温度ドリフトを抑制することを開示した。
【特許文献１】
特開２００１−１２９５２号公報
【０００３】
また、特許文献２には、水晶振動子の表面に、クロム下地層と金表層との二層構造の電極を設けることが記載されている。
【特許文献２】
特開２００３−４６３６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、振動子が一層小型化し、駆動振動片、検出振動片の幅が小さくなってくると、ゼロ点温度ドリフトが大きくなることが分かった。例えば、駆動振動片、検出振動片の幅が１ｍｍ程度のときには、ゼロ点温度ドリフトがほとんどないような設計であっても、駆動振動片、検出振動片の幅が例えば１００μｍ以下と細くなると、ゼロ点温度ドリフトが増大する傾向が見られた。
【０００５】
本発明の課題は、振動子のゼロ点温度ドリフトを一層低減し、特に振動子を小型化してもゼロ点温度ドリフトの増大を抑制できるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
基板、
基部、この基部から突出する支持部、この支持部から突出する幅０．１５ｍｍ以下の駆動振動片、基部から突出する幅０．１５ｍｍ以下の検出振動片を備えており、所定平面に平行に延びる振動子、
駆動振動片に設けられており、振動子に駆動振動を励振する駆動電極、
振動子に加わる回転角速度に応じて振動子に励振される検出振動を検出する検出電極、および
基部に接合されており、基板上に前記振動子を支持するボンディングワイヤを備えている振動型ジャイロスコープであって、
駆動振動において駆動振動片が前記支持部への付け根を中心として所定平面に平行に屈曲振動し、検出振動において検出振動片が基部への付け根を中心として所定平面に平行に屈曲振動し、
駆動電極および検出電極が、厚さ５ｎｍ以上、４５ｎｍ以下の金膜と、金膜と振動子との間に設けられている厚さ１０ｎｍ以上、７０ｎｍ以下のクロムまたはクロム合金からなる下地膜とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、振動子を小型化した場合にゼロ点温度ドリフトの上昇が見られる理由について検討した。例えば振動片の幅が１ｍｍの場合には、振動片の振動のＱ値は、ほぼ振動子を構成する材料に依存している。Ｑ値は、振動型ジャイロスコープの振動状態におけるエネルギー損失を示す変数である。
【０００８】
しかし、振動片の幅が例えば９０μｍと非常に小さくなってくると、振動片上の電極膜の影響が顕著に現れ、ゼロ点温度ドリフトの上昇をもたらすものと思われる。本発明者は、この機構について検討し、次の知見を得た。即ち、振動型ジャイロスコープにおいては、自励振回路を使用し、振動子の自己発振によって振動子の検出振動の周波数が最適となるようにしている。振動子が小型化すると、振動のＱ値が、電極膜の影響を受けて温度変化しやすくなる。Ｑ値が温度変化したときにも、感度を一定にするために、駆動振動を生じさせるための電流値が一定になるように制御し、これによって駆動振動の振幅が一定になるように制御している。このように駆動電流値が一定であることは、駆動電圧を変化させる必要があることを意味する。この結果、駆動電極と検出電極との間の静電結合成分の漏れ信号が変動し、ゼロ点温度ドリフトが増大する。
【０００９】
また、以下の機構も考えられる。即ち、振動片の外形輪郭を形成するためには、例えば圧電性単結晶からなるウエハーをエッチング処理する。エッチング処理の段階では、ウエハーの表面側と裏面側との双方に例えばホトレジストを塗布し、その上にホトマスクを設置し、表面側ホトマスクと裏面側ホトマスクとのアライメントを行う。そして、ホトレジストを露光して硬化させ、ホトマスクを除去し、ホトレジストのパターニングを行う。そしてウエハーをエッチングし、ホトレジストのパターンに対応した輪郭をウエハーに形成する。
【００１０】
ここで、ウエハーの表面側と裏面側との双方にホトマスクを設置し、アライメントする際に、両方のマスクに若干の位置ずれが発生することがある。この場合には、Ｚ方向の不要な振動成分が発生し、検出振動片において、検出振動に対する位相遅れを伴った寄生振動が発生する。
【００１１】
こうした寄生振動は、駆動振動とモードの形が異なる。このため、温度変化したときに、電極の駆動振動モードのＱ値への影響と、寄生振動のＱ値への影響とは異なっている。この結果、温度変化に応じて、寄生振動に基づく漏れ振動成分の位相が変動し、ゼロ点温度ドリフトが増大する。
【００１２】
更に、振動子のＱ値の低下によって、以下の機構によってノイズが増大することがある。即ち、駆動振動のＱ値が低下すると、駆動振動のインピーダンスが増大し、一定の電流を流すためには更に大きな駆動電圧が必要となる。この結果、静電結合による漏れ信号が増大する。従って、位相検波回路が飽和しないように、検波前の交流増幅を小さくする必要があるが、これによってセンサの感度が低下する。従って、センサの感度を一定以上に保持するためには、検波後の直流増幅を大きくする必要があるが、この結果ノイズも増大する。
【００１３】
本発明者は、こうしたＱ値の温度変化に対して、電極膜の影響が大きくなっていることを発見した。そして、電極を二層構造とし、クロムまたはクロム合金の下地層の厚さを７０ｎｍ以下とし、金膜の厚さを４５ｎｍ以下とすることによって、ゼロ点温度ドリフトを著しく低減できることを見いだし、本発明に到達した。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る振動子１Ａを概略的に示す平面図である（駆動振動モードを示す）。図２は、振動子１Ａの検出振動モードの振動を示す平面図である。
【００１５】
本例の振動子１Ａは、基部２と、基部２から突出する一対の検出振動片１３Ａ、１３Ｂと、基部２から突出する一対の支持部５と、各支持部５の先端に設けられている各駆動振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄとを備えている。
【００１６】
各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。溝内に駆動電極１９が形成されている。各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔１７が形成されている。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。溝内に検出電極２０が形成されている。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部１６Ａ、１６Ｂが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔１８が形成されている。
【００１７】
図１には駆動モードの振動を示す。駆動時には、各駆動振動片１４Ａ〜１４Ｄが、それぞれ、支持部５への付け根２１を中心として矢印Ａのように屈曲振動する。この状態で振動子１Ａを、振動子１Ａに略垂直に延びる回転軸Ｚの周りに回転させる。すると、図２に示すように、支持部５が固定部２への付け根５ａを中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。各検出振動片１３Ａ，１３Ｂが、それぞれ、その反作用によって、固定部２への付け根を中心として、矢印Ｃのように屈曲振動する。各検出振動片１３Ａ、１３Ｂにおいて発生した電気信号に基づいて、Ｚ軸を中心とする回転角速度を算出する。
【００１８】
ここで、本発明は、少なくとも駆動電極１９、検出電極２０に適用する。
【００１９】
図３（ａ）は、駆動振動片１４Ａ（１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）上の電極１９の一形態を示す。本例の電極１９は、金属下地膜１０と金膜１１とからなる。ここで、本発明においては、金属下地膜１０が単層であってよく、複数層に分かれていてもよい。
【００２０】
図３（ｂ）は、検出振動片１３Ａ（１３Ｂ）上の電極２０の一形態を示す。本例の電極２０は、金属下地膜２２と金膜２３とからなる。ここで、本発明においては、金属下地膜２２が単層であってよく、複数層に分かれていてもよい。
【００２１】
本発明において、金膜の厚さは４５ｎｍ以下とするが、ゼロ点温度ドリフトを一層低減するという観点からは、４０ｎｍ以下が好ましく、３０ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ以下が一層好ましい。また、ゼロ点温度ドリフトを低減するという観点からは、金膜の厚さは５ｎｍ以上である。金膜中には不純物が含有されていてもよい。
【００２２】
金属下地膜の厚さは、ゼロ点温度ドリフトを低減するという観点からは、７０ｎｍ以下とし、６０ｎｍ以下が更に好ましく、４０ｎｍ以下が一層好ましい。また、金膜の振動片への密着性の観点からは、金属下地膜の厚さは、10ｎｍ以上である。
【００２３】
下地膜を構成する金属はクロム、クロム合金である。
【００２４】
電極系を構成する各金属膜は、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によって製造できる。
【００２５】
本発明においては、振動子が、駆動電極の設けられた駆動振動片、検出電極の設けられた検出振動片、および駆動振動片と検出振動片との間に設けられた基部を備えている。
【００２６】
本発明においては、振動子が所定面に対して平行に延びている。これは厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に振動子が形成されている場合を含む。この際、好ましくは、振動子の駆動振動と検出振動とが、それぞれ所定面に対して平行に生ずる。
【００２７】
振動子の材質は限定されない。しかし、本発明は、振動子が圧電単結晶からなる場合に最も効果が高い。圧電単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶を例示できる。圧電単結晶が水晶である場合、本発明は特に好適である。
【００２８】
振動子の寸法は限定されないが、本発明の観点からは、振動子の幅を１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。また、同様の観点からは、振動子の重量を５ｍｇ以下とすることが好ましく、１ｍｇ以下とすることが一層好ましい。また、振動子の厚さを０．３ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
【００２９】
また、駆動振動片の幅、検出振動片の幅が１５０μｍ以下、更には１００μｍ以下の場合に、本発明は特に好適である。
【００３０】
本発明の振動型ジャイロスコープでは、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回転角速度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回転角速度を検出する。
【００３１】
【実施例】
以下、更に具体的な実験結果について述べる。
図１、図２に示す振動子１Ａを製造した。
まず、２インチ角×0.1mmｔの水晶基板を希フッ酸にてエッチング洗浄した後、スピンドライヤーにて乾燥し、清浄な水晶基板を製作した。次いで、スパッタ装置を用いて、水晶基板の表裏両面に10nm厚さのCrを下地層として成膜し、次いで200nm厚さのAu膜を成膜した。
次いで、Au膜の成膜面上にスピンコーターによりフォトレジストを塗布してレジスト膜を形成した。表裏面の高精度アライメントが可能な露光装置と水晶外形エッチング加工パターンを描画したフォトマスクを用い、フォトリソグラフィにより水晶基板の表裏両面に、水晶振動子の外形エッチング加工用のレジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクとして、硝酸セリウムアンモニウムと塩酸と過塩素酸の混合液にて、水晶基板上に成膜したAuとCrの膜をエッチング除去し、水晶振動子の外形加工用エッチングマスクパターンを形成した。本基板を、70℃に加熱した40%フッ化水素アンモニウム溶液に10時間浸漬し、水晶をエッチング加工して振動子形状を得た。
【００３２】
次にスパッタ装置を用い、エッチング加工にて水晶基板上に形成した振動子の表裏面及び側面にCrを下地層として成膜し、Ａｕを表面層として電極膜を成膜した。CrとAuの膜厚との膜厚は、表１、２、３、４に示すように変更した。
【００３３】
次に、スプレー式レジストコーターを用い、水晶基板上に形成した振動子の表裏面及び側面にフォトレジストを塗布した。表裏面の高精度アライメントが可能な露光装置と電極配線パターンを描画したフォトマスクを用い、フォトリソグラフィにより、水晶振動子の表裏面および側面に所望の電極配線のレジストパターンを形成した。
【００３４】
次に、電極金属であるAuとCrをエッチング除去するため、硝酸第二セリウムアンモニウムと塩酸と過塩素酸の混合液に浸漬し、所望の電極パターンが形成された水晶振動子を得た。
振動子の全体の幅は２ｍｍであり、重量は０．３ｍｇである。駆動振動片の幅は９０μｍであり、検出振動片の幅は７０μｍである。
【００３５】
次いで、各例の振動子１Ａをパッケージに実装した。ただし、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。銅膜線の厚さは約２０μｍであり、幅は約１００μｍであり、金メッキの厚さは約１μｍであった。振動子１Ａの基部２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。
【００３６】
得られた振動型ジャイロスコープについて、パッケージを静止させたときの振動子からの出力電圧を測定した。あらかじめ回転角速度に対するジャイロ感度を測定し、検量線を準備しておいた。そして、出力電圧を、予め測定しておいたジャイロ感度を用いて回転角速度に換算し、−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトを測定した。この結果を表１、２、３、４に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
【表３】

【００４０】
【表４】

【００４１】
以上の結果から分かるように、金膜の厚さを４５ｎｍ以下とすることによって、ゼロ点温度ドリフトは著しく低減された。また、金属下地膜の膜厚は６０ｎｍ以下とすることが特に好ましいことも判明した。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、振動子のゼロ点温度ドリフトを一層低減し、特に振動子を小型化してもゼロ点温度ドリフトの増大を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用可能な振動子１Ａ（駆動モード）を概略的に示す平面図である。
【図２】本発明で使用可能な振動子１Ａ（検出モード）を概略的に示す平面図である。
【図３】（ａ）は、駆動振動片１４Ａ（１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ）上の電極１９の構成例を示す正面図であり、（ｂ）は、検出振動片１３Ａ（１３Ｂ）上の電極２０の構成例を示す正面図である。
【符号の説明】
１Ａ振動子２基部１０金属下地膜１１金膜１３Ａ、１３Ｂ検出振動片１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ駆動振動片１９駆動電極２０検出電極２２金属下地膜２３金膜Ａ駆動モードの振動Ｂ、Ｃ検出モードの振動

Claims

基板、
基部、この基部から突出する支持部、この支持部から突出する幅０．１５ｍｍ以下の駆動振動片、および前記基部から突出する幅０．１５ｍｍ以下の検出振動片を備えており、所定平面に平行に延びる振動子、
前記駆動振動片に設けられており、前記振動子に駆動振動を励振する駆動電極、
前記振動子に加わる回転角速度に応じて前記振動子に励振される検出振動を検出する検出電極、および
前記基部に接合されており、前記基板上に前記振動子を支持するボンディングワイヤを備えている振動型ジャイロスコープであって、
前記駆動振動において前記駆動振動片が前記支持部への付け根を中心として前記所定平面に平行に屈曲振動し、前記検出振動において前記検出振動片が前記基部への付け根を中心として前記所定平面に平行に屈曲振動し、
前記駆動電極および前記検出電極が、厚さ５ｎｍ以上、４５ｎｍ以下の金膜と、前記金膜と前記振動子との間に設けられている厚さ１０ｎｍ以上、７０ｎｍ以下のクロムまたはクロム合金からなる下地膜と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。
前記駆動電極および前記検出電極が、前記振動子の表面、裏面および側面にスパッタ法によってそれぞれ設けられていることを特徴とする、請求項１記載の振動型ジャイロスコープ。