JP2007064752A - 圧電振動子と調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コリオリ力を利用した圧電振動ジャイロセンサの圧電振動子において、圧電振動子の表面にメッキ法によって金属膜を形成する際、メッキを施さない部分へのマスク処理やその後処理といった薬品を多く使う工程を必要とし、多くの設備と工数を必要としている。また、このために調整コストが増大しコストダウンが困難という問題点を抱えていた。
【解決手段】圧電振動ジャイロ用の圧電振動子において、安定分散した金属ナノ粒子の導電性ペーストを調整用の付加質量として利用したものであって、前記導電性ペーストをインクジェットプリンタのノズルより吐出し、これを圧電振動子の表面の所定位置に塗布して所定温度にて焼結し、所望の振動特性を得るようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、コリオリ力を利用した圧電振動ジャイロセンサの圧電振動子に関する。

物体の回転運動、すなわち角速度を検出するセンサとして、ジャイロが良く知られている。ジャイロは、取り付ける位置と回転中心との距離の影響を受けることなく、角速度を知ることができる応用範囲の広いセンサである。最近では圧電振動子、特に水晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの小型化、高精度化及び表面実装化が進み様々な分野でその応用範囲を広げている。

図２は特開２００４−１０１３９２号で開示された従来の圧電振動ジャイロの外観図を示したものである。なお、図２の紙面と平行な面が水平面（取付面）となっている。
図２に示した水晶振動子は、基板主面の法線方向が結晶Ｚ軸方向となるようにカットしたＺ板水晶薄片をウェットエッチング加工によって双音さ形状に形成し、その表面に蒸着やスパッタリングにより所定の電極を形成したものであって、一対の短冊状のアーム部１ａ、１ｂと該アーム部１ａ、１ｂの表面にそれぞれ形成した駆動電極２ａ、２ｂとを有する駆動部３と、前記駆動部３の両端を支持すると共に前記駆動電極１ａ、１ｂにそれぞれ接続するリード電極を備える双音さ支持部４、５と、検出電極６ａ、６ｂを有し前記双音さ支持部４を介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する検出部７と、検出電極８ａ、８ｂを有し前記双音さ支持部５を介して前記アーム部１ａ、１ｂの振動を検出する検出部９と、前記検出部７の一端を支持すると共に前記検出電極６ａ、６ｂにそれぞれ接続する一対の引出電極１０ａ、１０ｂを有する第１の支持固定部１１と、前記検出部９の一端を支持すると共に前記検出電極８ａ、８ｂにそれぞれ接続する一対の引出電極１２ａ、１２ｂとを有する支持固定部１３とを備えている。なお、図２において図示した駆動電極と検出電極と引出電極の電極パターンとリード電極の電極パターンとは裏面にも同様な電極パターンが形成され、側面のパターンを介して接続されている。
また、支持固定部は接着材等で水晶振動子のパッケージ等の取り付け面（水平面）に固定されて使用することとなるが、ここでは図示を省略する。

前記圧電振動ジャイロ（前記水晶振動子）は、次のように動作する。
まず、非回転時の状態において、駆動電極１ａ、１ｂ間に駆動信号を与えると、図３（ａ）に示すようにアーム部１ａ、１ｂは面内対称屈曲１次振動モードと呼ばれる屈曲振動（駆動モード）が発生する。このときアーム部１１ａ及び１１ｂは互いに図中左右対称に振動する。そこで、この駆動モードで振動している振動ジャイロセンサに結晶Ｚ軸周りの角速度（回転）を与える。すると、アーム部１ａ、１ｂのそれぞれには一方がY方向（図中上向き）、他方がＹ方向（図中下向き）のコリオリ力が働く。この結果、前記左右相反するコリオリ力によってアーム部１ａ、１ｂは図３（ｂ）に示すような面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（検出モード）が発生し、この屈曲振動が検出部７、９によって検出されるようになっている。

ここで、駆動モード時において検出部（検出電極）から全く信号を出力しないのが理想的な状態である。しかしながら、実際には製造バラツキ等の理由によりアームのバランスが微妙に崩れ、駆動モード（非回転時）において検出部から不要な信号が出力されることが知られている。これを漏れ出力と呼んでいるが、この出力は検出側だけの影響にとどまらず、駆動モードのＱ値にも悪影響を与える。例えば、漏れ出力が増えると駆動振動エネルギーが漏洩し、駆動モードにおけるＱ値の低下や等価抵抗値の上昇、或いは消費電力の増加を招く。また、Ｑ値の低下は検出感度を低下させノイズの増加を招く。さらには、外部振動などの影響を受けやすくなり、圧電振動ジャイロの諸特性に悪影響を及ぼす。

そこで、この漏れ出力を最小に抑えるよう水晶振動子に個別に調整を行っている。
例えば、アーム部の一部に調整用の金属膜を予め形成しておき、金属膜の一部をレーザーやイオンによって削り取るといった方法が一般的である。また、駆動電極の一部を削り取るといった方法もある。この場合、膜厚を厚くして調整量を多くすることが望ましい。
一方、金属膜を形成するにはスパッタや真空蒸着といった方法や、或いはメッキ法を使うのが一般的である。しかしながら、スパッタや真空蒸着による方法では金属膜を厚く形成するのが困難である。このため、従来はメッキ法によって所望の厚みの金属膜を形成していた。
特開２００４−１０１３９２号公報

ところが、メッキ法による金属膜の形成においては、メッキを施さない部分へのマスク処理やその後処理といった薬品を多く使う工程を必要とし、多くの設備と工数を必要としていた。そのため調整コストが増大しコストダウンを図ることが極めて困難という問題を抱えていた。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、調整コストを低減した圧電振動ジャイロの圧電振動子と調整方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る請求項１に記載の発明は、少なくとも駆動電極を有し屈曲振動を起こす圧電振動子において、前記圧電振動子の表面に安定分散した金属ナノ粒子の導電性ペーストを調整用の付加質量として備えたものである。従って、高精度な圧電振動子を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記導電性ペーストの所定量をインクジェットプリンタのノズルより吐出し、これを前記圧電振動子の所定位置に塗布して所定温度にて焼結し、所望の振動特性を得るようにしたものである。従って、所定の位置に高精度で調整用の付加質量を形成する方法を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記導電性ペーストを所定温度にて焼結した後、前記導電性ペーストの一部をレーザーやイオンにて削り取り所望の振動特性を得るようにしたものである。従って、導電性ペースト焼結後の微妙な特性変化を調整することができる。

本発明は、安定分散した金属ナノ粒子の導電性ペーストをインクジェットプリンタのノズルより吐出し、これを音さ型圧電振動子のアームの表面の所定位置に塗布して所定温度にて焼結し、所望の振動特性を得るようにしたものである。従って、金属ナノ粒子の導電性ペーストを調整用の付加質量として利用することが可能となり、調整コストを低減し高精度の音さ型圧電振動子を提供することができる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。図１（Ａ）は本発明に係る双音さ水晶振動子をパッケージに実装した状態を示したものである。
図１（Ａ）において、双音さ水晶振動子の構造は図２に示したもとのと同じであり詳細は省略する。本発明の最も特徴的なところは、アーム部中央の表面（駆動電極上）に周波数調整箇所を備え、ここに金属ナノ粒子の導電性ペースト（ここでは、ナノ金属ペーストと呼ぶ）を付加質量として塗布し、検出電極（図示せず）からの漏れ出力を低減するよう調整したところである。

ここで、ナノ金属ペーストについて説明する。ナノ金属ペーストとは数ナノメートル程度の金属微細粒子を主成分とした導電性ペーストである。ナノ金属ペーストは数ミクロンオーダーの超微細配線をプリント基板上に直接描画するための材料として開発されたものである。一般的に金属ナノ粒子は、表面活性が高いために室温で粒子どうしが溶けあい、数十個から数百個の凝集体を形成しやすいが、粒子の表面を特殊な分散材で覆って安定分散したものは、凝集することなく有機溶剤中に安定な形で存在することができる。
近年、ハリマ化成は安定分散した金属ナノ粒子（金や銀）を熱硬化性樹脂中に均一分散したペースト組成物（商品名：ナノペースト）を開発し注目を浴びている。

次に、本発明に係る双音さ水晶振動子の調整方法について説明する。
図１（Ｂ）はナノ金属ペーストを双音さ水晶振動子の周波数調整箇所に塗布する方法を示したものである。図１（Ｂ）に示すように、市販レベルのインクジェットプリンタと同じ原理を用いてノズルからナノ金属ペーストを吐出し、これを周波数調整箇所に塗布する。一般に市販されているインクジェットプリンタのノズルから吐出する最小ドット量は数ピコリットル程度（直径２０ミクロン程度の球体積に相当）である。従って、これを一回の塗布量の最小単位とすることができる。

ここで、２つの検出電極（図示せず）からの漏れ出力をそれぞれモニターしながら、これが最小となるように塗布量と塗布位置を調節する。なお、ナノ金属ペーストの金属粒子が金（Ａｕ）の場合、通常８００℃以上で起こる焼結現象が約２５０℃で起こることが知られている。
従って、ナノ金属ペーストを塗布した後に、双音さ水晶振動子全体をリフロー槽や乾燥用の高温炉に入れることによって、塗布したナノ金属ペーストを比較的低温な状態で簡単に焼結することができる。また、所定位置に所定量の付加質量を追加することができるので、高精度の調整が可能である。更に、従来メッキ法で用いていた保護膜のためのレジスト処理が不要となり薬品を多用することもなくなるので、環境に優しい調整工程とすることができる。なお、ナノ金属ペーストの焼結後に水晶振動子の特性が微妙に変化する場合がある。このときは、焼結後のナノ金属ペーストの一部をレーザーやイオン等で削り取り、特性の再調整を行うといったことも可能である。

以上説明した調整方法は、検出電極の漏れ出力を最小とすることを目的としたが、本発明にあってはこれに限らず。例えば、圧電振動子の離調周波数の調整を目的としても良い。
前述したように、圧電振動ジャイロに回転を与えない状態で駆動電極に駆動信号を与えると双音さは一定の振幅で駆動振動する。このとき駆動信号の周波数を変化させると、駆動振動の振幅が最大となる周波数（駆動モードの共振周波数）が存在する。一方、この状態で圧電振動ジャイロに回転を与えると、前述したように面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（検出モード）が発生する。このとき、駆動信号の周波数を変化させるとこの屈曲振動の振幅値が最大となる周波数（検出モードの共振周波数）が存在する。

ここで、これら２つの共振周波数の差を離調周波数と呼び、この離調周波数が小さいと検出感度が高くなり、大きいと検出感度が低くなることが知られている。従って、本調整方法を使って、検出感度を適切な値とするために離長周波数を調整することが可能である。
なお、本実施例で示した電極構造のように、駆動モードの共振周波数の調整部位と検出モードの共振周波数の調整部位とが異なる電極構造の場合は、２つの共振周波数をほぼ独立して調整できるのでその利用価値は高い。

また、本調整方法は双音さ型の圧電振動子に限らず、単音さ型の圧電振動子にも適用可能である。或いは音さ型の圧電振動子に限らず屈曲振動を起こすタイプの圧電振動子であれば、どのようなものであっても振動子の特性を調整することができることは言うまでもない。

以上説明したように、本発明は市販レベルのインクジェットプリンタと同じ原理を用いてナノ金属ペーストを音さ型圧電振動子に塗布して約２５０℃で焼結したものであり、これを調整用の付加質量として利用したものである。従って、調整コストを低減し且つ高精度な音さ型圧電振動子を提供することができる。

本発明に係る双音さ型水晶振動子の外観と調整方法を示した図。 双音さ型水晶振動子の外観と電極構造を示した図。 双音さ型水晶振動子の振動状態を示した図。

符号の説明

１ａ、１ｂ：アーム部
２ａ、２ｂ：駆動電極
３：駆動部
４、５：双音さ支持部
６ａ、６ｂ、８ａ、８ｂ：検出電極
７、９：検出部
１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂ：引出電極
１１、１３：支持固定部

Claims (3)

1. 少なくとも駆動電極を有し屈曲振動を起こす圧電振動子において、前記圧電振動子の表面に安定分散した金属ナノ粒子の導電性ペーストを調整用の付加質量として備えたことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記導電性ペーストの所定量をインクジェットプリンタのノズルより吐出し、これを前記圧電振動子の所定位置に塗布して所定温度にて焼結し、所望の振動特性を得るようにしたことを特徴とする請求項１記載の圧電振動子の調整方法。
3. 前記導電性ペーストを所定温度にて焼結した後、前記導電性ペーストの一部をレーザーやイオンにて削り取り所望の振動特性を得るようにしたことを特徴とする請求項２記載の圧電振動子の調整方法。
   
   

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