JP2000088583A

JP2000088583A - 圧電振動素子

Info

Publication number: JP2000088583A
Application number: JP10263564A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Suzuki; 鈴木　　博文
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】信号入出力用の電極が形成された圧電体から
なる振動体を備える角速度センサにおいて、不要振動が
実用上影響の無い程度まで低減するような電極構成を実
現する。【解決手段】振動体１は、角柱状に形成された一対の
アーム部４、５とこれら各アーム部４、５を連結する連
結部６とにより音叉形状に形成されたＰＺＴ等の圧電体
からなり、振動体１には、駆動用の駆動電極１０、１
１、角速度検出信号の出力用の検出用パット電極１６、
１７等、信号入出力用の電極１０〜２４が形成されてい
る。各電極１０〜２４は、導電性を有するＡｇ／Ｐｄの
導体を電極母材とし、振動体１との接着性を確保するた
めのガラス成分及び無機酸化物が電極材料総量に対して
１重量％以上５重量％以下含有された構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、角速度セ
ンサ、メカニカルフィルタ、超音波トランス等に適用さ
れ、外部信号を入出力するための電極が形成された圧電
体からなる圧電振動体を備える圧電振動素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧電振動素子は、一般に、圧電
体（ＰＺＴ等）からなる圧電振動体と、圧電振動体に形
成され圧電振動体に対して信号（電気信号）を入出力す
るための電極とを備え、外部からの信号入力により圧電
振動体を振動させたり、圧電振動体の振動により発生す
る電気信号を外部へ出力するようになっている。

【０００３】ここで、圧電振動体の電極としては、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｇ／Ｐｄ等の金属等を電極母
材として、これにガラス成分及び無機酸化物（ガラスフ
リット）を混合したものをペースト状とし、圧電振動体
上に、膜状に印刷・焼付けして形成するのが一般的であ
る。また、電極の機能としては、外部より入出力される
電気信号を圧電振動体内部に伝えることと共に、圧電振
動体の振動を阻害しないこと及び該振動により圧電振動
体から剥離しないようにある程度の密着力があることが
要求される。そのため、振動体との接着性を確保すべく
ガラス成分及び無機酸化物が含有される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電振
動体においては、製造工程において圧電振動体内部に歪
みが生じ、作動時に正規の振動方向以外の方向に振動す
る、つまり不要振動が発生するという問題がある。この
不要振動は、従来、圧電振動体を切削加工等する際の形
状加工誤差によるものと考えられていた。しかし、いく
ら上記誤差を低減しても、確実に不要振動を低減するこ
とはできなかった。

【０００５】本発明者は、圧電振動体内部の歪みに起因
する不要振動発生という問題点について、鋭意検討した
結果、電極形成工程に問題があることを見出した。即
ち、上述のように、電極にはガラス成分及び無機酸化物
（以下、ガラス等という）があるため、焼付けの際に、
このガラス等が圧電振動体内部に拡散する。ガラス等
は、圧電振動体を構成する圧電体とは物性値（熱膨張係
数等）が異なるため、振動体に内部応力による歪みが発
生する。

【０００６】そして、このガラス等の拡散による歪み
は、電極焼付け時の圧電体の反りや、電極焼付けの後工
程である圧電振動体の分極処理工程においてドメインが
反転する時にその歪みが開放され、圧電体の反りという
現象として現れる。また、上記歪みは、圧電体の反りと
いう振動体の巨視的な形状変化のみならず、圧電振動体
の結晶形の歪みといった微視的な形状変化、更には、分
極自体の歪みをも引き起こす。

【０００７】このように、本発明者は、電極形成工程に
おけるガラス等の圧電振動体内部への拡散によって、圧
電振動体内部に歪みが生じ不要振動が発生することを見
出した。特に、圧電振動素子の一層の測定精度向上が要
望される現状においては、振動体における不要振動の低
減は、より不可欠なものとなってくる。本発明は上記問
題点に鑑みて、信号入出力用の電極が形成された圧電振
動体を備える圧電振動素子において、不要振動が実用上
影響の無い程度まで低減するような電極構成を実現する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、圧電振動体
に形成される電極に含有されるガラス成分及び無機酸化
物（ガラス等）の量（以下、ガラス量という）と、圧電
振動体の不要振動及び圧電振動体へのガラス等の拡散深
さとの関係について鋭意検討を行なった。その結果を図
４及び図５に示す。

【０００９】ここで、実用上影響の無い不要振動のレベ
ルとしては、２０ｄＢＶ以下とした。この値は、現在最
も高性能な特性を要求され、不要振動低減の要求が最も
厳しい圧電振動素子の一つである車両用の角速度センサ
における値であり、不要振動がこの値以下であれば、他
の圧電振動素子においても実用上問題ないものとでき
る。

【００１０】図５に示す様に、電極中のガラス量の減少
に伴い、圧電振動体へのガラス等の拡散深さも減少し、
また、図４に示す様に、電極中のガラス量が電極材料の
総量の５重量％以下であれば、不要振動を、圧電振動素
子において実用上影響が無い２０ｄＢＶ以下とできる。
請求項１記載の発明は、上記検討結果に基づいてなされ
たもので、信号入出力用の電極（１０〜２４）が形成さ
れた圧電振動体（１）を備える圧電振動素子において、
電極（１０〜２４）は、導電性を有する電極母材に圧電
振動体（１）との接着性を確保するためのガラス成分及
び無機酸化物を５重量％以下含有させてなるものである
ことを特徴としている。

【００１１】本発明では、電極（１０〜２４）におい
て、ガラス等を５重量％以下の含有量としているから、
ガラス等の圧電振動体（１）内への拡散を抑制すること
ができ、不要振動が実用上影響の無い程度まで低減する
ような電極構成を実現することができる。また、本発明
者は、請求項１記載の電極（１０〜２４）において、ガ
ラス量が１重量％以上であれば、圧電振動体（１）の振
動に抗して安定して電極の接着性が確保できることを実
験的に確認している（請求項２）。

【００１２】また、ガラス成分としては、ＰｂＯ−Ａｌ
₂Ｏ₃−ＳｉＯ系ガラス、ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＳｉＯ₂系
ガラス、ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス、及びこ
れらを混合したガラスのうちから選択されたもの、無機
酸化物としては、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ
及びこれらの混合物から選択されたものを用いることが
できる（請求項３）。また、電極母材としては、Ａｇ、
Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びこれらの混合物から選択された金
属を用いることができる（請求項４）。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、圧電振動素
子として、角柱状に形成された一対のアーム部（４、
５）とこれら各アーム部（４、５）を連結する連結部
（６）とにより音叉形状に形成された圧電体からなる圧
電振動体（１）、及び圧電振動体（１）に形成された電
極（１０〜２４）を備える角速度センサに適用したもの
である。本発明においても、請求項１記載の発明と同様
の作用効果を奏する角速度センサを提供することができ
る。

【００１４】なお、上記した括弧内の符号は、後述する
実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例であ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、本発明の圧電振動素
子を圧電振動型の角速度センサとして適用した例を説明
する。この角速度センサは、例えば、ビデオの手ぶれ防
止、ナビゲーションシステムおよび自動車の車両姿勢制
御等に利用される角速度センサとして使用される。な
お、以下の各図において、便宜上、電極部分にはハッチ
ングを施してあるが断面を示すものではない。

【００１６】図１は、本実施形態に係る角速度センサの
構成を示す斜視図である。この角速度センサは、圧電体
（本例ではＰＺＴ（チタン酸ジルコン鉛））からなる振
動体（圧電振動体）１と、この振動体１に形成された電
極と、この振動体１を支持固定する基板２とを備え、振
動体１に形成された電極と基板２のリード端子（接続端
子）Ｐとがリード線Ｓにて電気的に接続された構成とな
っている。

【００１７】振動体１は、一対の四角柱状のアーム部
（振動部）４、５と、両アーム部４、５の一端を連結す
る連結部６からなる音叉形状を構成し、切削加工等によ
り形成される。また、連結部６には、例えば４２アロイ
等からなる略エ字型の支持部３がエポキシ接着剤で接合
されている。そして、振動体１は、支持部３を介して基
板２に溶接固定され、基板２に形成された凹部２ａによ
って、振動体１自身は基板２に対して平行に浮遊した形
となっている。

【００１８】ここで、振動体１において、両アーム部
４、５の長手方向と平行且つ両アーム部４、５の中央に
位置するｚ軸方向に延びる各振動体面を、以下のように
定義する。両アーム部４、５と連結部６とが同一平面を
形成し対向する略コ字形状の一対の面であるＸ１、Ｘ２
面のうち、基板２とは反対側の面をＸ１面（一方の振動
体面）、Ｘ１面と対向する他方の面をＸ２面（他方の振
動体面）とする。また、振動体１の外周に位置し、アー
ム部４、５の配列方向に平行なｙ軸と略直交する面であ
るＹ１、Ｙ２面のうち、アーム部４側をＹ１面、アーム
部５側をＹ２面とする。

【００１９】そして、Ｘ１面およびＸ２面と略直交する
方向をｘ軸として、上記ｙ軸およびｚ軸とともに、図１
に示すｘｙｚ直交座標系が構成される。以下、本実施形
態において、このｘｙｚ直交座標を用いて説明する。ま
た、以下、ｘ軸方向というのは、ｘ軸と平行な方向であ
ることを意味する。ｙ軸、ｚ軸方向についても同様であ
る。

【００２０】次に、振動体１に形成された電極構成につ
いて説明する。図２は、振動体１の外周面上に形成され
た各電極の構成を、振動体１の前後、左右から見た展開
図である。（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２面、（ｃ）は
Ｙ１面、（ｄ）はＹ２面上の電極構成を示すものであ
る。なお、図中、便宜上、電極１０〜２４は片側斜線、
電極１１０〜１１７はクロスハッチングで表してある。

【００２１】アーム部４、５のＸ１面には、連結部６側
から順に、駆動電極１０、１１、参照電極１２、１３、
取出し電極１４、１５、および検出用パット電極（検出
電極）１６、１７が、それぞれ形成されている。振動体
１を駆動するための駆動電極１０および１１は、連結部
６を通って、各アーム部４、５のＹ１、Ｙ２面側と、ア
ーム部４、５の互いに対向する対向面側とに、それぞれ
位置している。そして、駆動状態をモニタし自励発振さ
せるための帰還用としての参照電極１２、１３は、それ
ぞれ、各アーム部４、５の対向面側の略中央に位置して
いる。

【００２２】角速度の検出信号を出力するための検出用
パット電極（検出電極）１６、１７は、それぞれ、各ア
ーム部４、５の先端部に位置している。また、後述する
共通電極２０と電気的に導通する取出し電極１４、１５
は、これら参照電極１２、１３と検出用パット電極１
６、１７との間に位置した形となっている。また、上記
したＸ１面上の各電極１０〜１７の表面のうちリード線
Ｓが結線される部分には、ワイヤボンディング（以下、
ＷＢという）用電極１１０〜１１７が形成され、二層構
造となっている。つまり、図１に示すｘ軸方向におい
て、振動体１側の各電極１０〜１７を第１の電極とし、
これに対してリード線Ｓが接続される側のＷＢ用電極１
１０〜１１７が第２の電極として積層された二層構造と
なっている（図３参照）。

【００２３】また、アーム部４、５のＹ１、Ｙ２面に
は、角速度発生時にコリオリ力により生じる検出振動を
検出するための角速度検出電極１８、１９が、それぞ
れ、Ｘ２面側に偏った位置に形成されている。これら角
速度検出電極１８、１９は、それぞれ、第１の接続電極
２１、２２によって、Ｘ１面の検出用パット電極１６、
１７と電気的に導通している。

【００２４】一方、振動体１のＸ２面には、上記の駆動
電極１０、１１、参照電極１２、１３、検出用パット電
極１６、１７および角速度検出電極１８、１９の基準電
位用電極である共通電極２０がほぼ全面に形成されてい
る。そして、共通電極２０は、Ｙ１、Ｙ２面の第２の接
続電極２３、２４を介して、Ｘ１面の取出し電極１４、
１５と電気的に導通している。

【００２５】以上の各電極１０〜２４は、パラジウム
（Ｐｄ）を含む銀（Ａｇ）つまり導電性を有するＡｇ／
Ｐｄの導体を電極母材とし、ガラス成分及び無機酸化物
が電極材料総量に対して１重量％以上５重量％以下含有
された材料から構成され、本発明の電極に相当する。ま
た、ＷＢ用電極１１０〜１１７は、同じＡｇ／Ｐｄの導
体を電極母材とし、ガラス成分及び無機酸化物が電極材
料総量に対して１重量％未満か若しくは含有しない材料
から構成されている。

【００２６】そして、電極１０〜２４は、Ａｇ／Ｐｄ導
体とガラス成分及び無機酸化物（ガラス等）を粉末状態
で、所望組成比に混合し、これにバインダとしての樹脂
（例えばテルビノール等）を混ぜてペーストとし、振動
体１上にスクリーン印刷し、焼成硬化（例えば８５０
℃）により形成（例えば厚さ１０μｍ）する。ガラス等
は、焼成時に溶けて圧電振動体と電極との接着性を向上
させる。ＷＢ用電極１１０〜１１７も同様にして、電極
１０〜１７上に形成することができる。

【００２７】ここで、ガラス成分としては、ＰｂＯ−Ａ
ｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ系、ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＳｉＯ₂系、Ｐ
ｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系等を採用できる。無機酸化
物としては、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ等を
採用できる。また、電極母材としては、Ａｇ／Ｐｄの他
に、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、又はこれらの混合物（Ａ
ｇ／Ｐｔ等）等の導電性金属等を採用できる。

【００２８】また、振動体１は、図１の白抜き矢印に示
すように、Ｘ１、Ｘ２面に直交するｘ軸方向に分極処理
（なお、向きは逆であってもよい）されている。これ
は、Ｘ１、Ｘ２面の電極を利用するか、Ｘ１、Ｘ２面の
各面に金属箔等を当てて、ｘ軸方向に直流電界を印加す
ることにより行なうことが出来る。そして、図３に示す
ように、Ｘ１面上の駆動電極１０、１１、参照電極１
２、１３、取出し電極１４、１５および検出電極１６、
１７の各電極は、それぞれ、上記したＷＢ用電極１１０
〜１１７を介して、導電性のリード線Ｓと電気的に接続
されている。

【００２９】これらリード線Ｓは、さらに、振動体１の
Ｘ２面と対向する基板２の面Ｋ１に設けられた各リード
端子Ｐと結線されており、各電極１０〜１７および１１
０〜１１７は、リード端子Ｐと電気的に接続される。こ
れらリード線Ｓは、線径がφ５０μｍ以下であり主成分
がＡｌよりなる金属線（本例では線径が３０μｍ）であ
り、その結線は超音波ＷＢによりなされる。

【００３０】リード端子Ｐは、図１に示すように、振動
体１の両側に複数個（例えば左右４本ずつ）、基板２を
貫通して設けられている。各リード端子Ｐの外周には、
絶縁ガラス２ｂが配置され、リード端子Ｐと基板２との
電気絶縁を保つ役割を果している。また、リード端子Ｐ
は、基板２のうち振動体１とは反対の面側にて、外部回
路として設けられる図示しない駆動・検出回路に、電気
的に接続されている。従って、駆動・検出回路からの信
号は、リード端子Ｐから各電極１０〜１７および１１０
〜１１７を介し、振動体１に対して入出力される。

【００３１】この駆動・検出回路は、振動体１への駆動
信号（交流電圧）を発生させ振動体１のアーム部４、５
を所定の駆動周波数で駆動振動させると共に、アーム部
４、５の振動状態から発生する電気信号を駆動周波数で
同期検波する等の検出処理を行い、角速度センサに発生
するｚ軸回りの角速度Ωｚ（図１参照）を検出するよう
に構成されている。

【００３２】また、振動体１は、基板２外周に接着され
る図示しないシェル（蓋体）により覆われて、このシェ
ルと上記の絶縁ガラス２ｂによって、振動体１は外部に
対して気密となっている。このように、振動体１は基板
２に組み付けられ、電気的配線を施されて、角速度セン
サとして構成されている。また、基板２には、角速度セ
ンサを被測定物（車両等）の適所に取付けるための図示
しない取付部が形成されており、この取付部は、防振ゴ
ム等を介して締結、接着等により被測定物に取り付けら
れる。なお、本実施形態の角速度センサは、例えば図１
に示すｚ軸方向を上下方向として取り付けられる。

【００３３】以上の構成に基づき、本実施形態の角速度
センサの作動について説明する。取出し電極１４、１５
を介して、共通電極２０と駆動電極１０および駆動電極
１１との間に、それぞれ位相の１８０度異なる交流電圧
（駆動電圧）を印加することにより、各アーム部４、５
をｙ軸方向に駆動振動させる。この時、参照電極１２、
１３と共通電極２０との間を流れる出力電流を検知し、
振動状態をモニタしながらフィードバックを行う。その
結果、周囲温度が変化してもアーム部４、５のｙ軸方向
の振幅（駆動振幅）が一定となるように自励発振制御を
行うことができる。

【００３４】上記の駆動振動時に、振動体１に対して、
各アーム部４、５の中心位置におけるｚ軸（検出軸）回
りに角速度Ωｚが入力された時、いわゆるコリオリ力に
よりアーム部４、５はたわみ振動を生じ、ｘ軸方向に角
速度Ωｚに比例した検出振動を発生する。この検出振動
によって、角速度検出電極１８、１９と共通電極２０と
の間に発生する出力電流（検出信号）を、第１の接続電
極２１、２２および検出用パット電極１６、１７を介し
て検出して、電圧値に変換することにより上記の角速度
Ωｚを検出する。

【００３５】次に、上記したＸ１面上の電極１０〜２４
および１１０〜１１７電極構成の詳細を述べるが、その
前に、リード線Ｓを、主成分がアルミニウム（Ａｌ）よ
りなる線（以下、アルミ線と略す）とした根拠および線
径をφ５０μｍ以下とした根拠について述べる。従来に
おいては、ＷＢには金（Ａｕ）線が用いられており、こ
の場合、被ＷＢ体への加熱（２００〜３００℃）が必要
になる。分極処理された後にＷＢは行われるので、ＰＺ
Ｔセラミクスは、そのような高温になると分極が劣化
し、圧電特性が劣化する。その結果として角速度センサ
の特性が劣化する。そのため、本実施形態では、加熱を
必要としないアルミ線の超音波ＷＢ法を採用している。

【００３６】さらに、超音波ＷＢ法においては、接合は
線に荷重（線径φ３０μｍの場合、約３０ｇｆ）をかけ
て行われる。また、上述したように、ＰＺＴセラミクス
で形成した振動体１を、４２アロイで形成した支持部３
にエポキシ接着剤で接合し、基板２に対し振動部材１が
浮遊するように、支持部３を基板２に溶接固定してい
る。

【００３７】すなわち、ＰＺＴセラミクスという強度が
比較的小さい材質を、同じくエポキシ接着材という強度
の小さい材質で、基板２に対し、片持ち支持する構成と
なっている。このような構成においてＷＢする為、ＷＢ
時にかける荷重が過大であると、振動体１自身もしくは
上記の接着部の破壊が発生する。アルミ線の線径が太け
れば太い程、その荷重は大きくなる。

【００３８】また、アルミ線の線径が太いと、振動体１
が振動しにくくなる等、振動体１の振動状態に影響があ
り、結果として温度ドリフトの増大等、角速度センサの
性能低下につながる。高性能を要する車両挙動制御シス
テム等の角速度センサとしては、温度ドリフトは、例え
ば１０°／秒以下（−４０℃〜８５℃において）が好ま
しいとされるが、リード線の種々の線径と温度ドリフト
性能との関係を検討した結果、上記の温度ドリフト性能
を実現するには、リード線の線径は、φ５０μｍ以下
が、望ましいことがわかった。但し、リード線自身の加
工性より、無制限に細い径にはできず、実用上は、３０
μｍ程度以上が適当である。

【００３９】以上述べてきたように、本実施形態では、
ＷＢ時の加熱による圧電特性劣化、および線径の過大に
よるＷＢの荷重増大、温度ドリフト性能への悪影響とい
った不具合を無くすために、リード線Ｓは、超音波ＷＢ
法よって線径φ５０μｍ以下（本例では、φ３０μｍ）
のアルミ線を用いて形成されている。次に、上述したＸ
１面上の電極１０〜１７における二層構造部分の構成の
詳細について説明する。この二層構成は、上述した線径
φ５０μｍ以下という細いアルミ線との接合、および、
振動体１という圧電振動部材上への形成という制約条件
を鑑みて、検討されたものである。なお、上述したよう
に、二層構造において、振動体１側である電極１０〜１
７を第１の電極とし、リード線Ｓが接続される側のＷＢ
用電極１１０〜１１７を第２の電極として述べる。

【００４０】上記の様に、圧電振動体のＷＢにおいて
は、そのワイヤ線径を大きくすることができない。即
ち、接合部の面積を大きくすることができない。このよ
うな制約においても、本電極構成はＰｄを含む銀厚膜
（Ａｇ／Ｐｄ厚膜）とすることで、充分な接合強度を得
ることができる。これは、本電極構成が以下の〜の
要件を備えているからである。

【００４１】Ａｇ／Ｐｄ厚膜の表面の面粗度が小さ
い。これは、例えば、銀粉の平均粒径を０．１〜２μｍ
としたうえで、銀粉の表面にＰｄをコーティングするこ
とにより、焼結時のＡｇの粒成長を抑制することによっ
て達成される。本実施形態では、φ５０μｍ以下の細線
に好ましい面粗度としてＲｚ（平均面粗度）を３μｍ以
下とし、接続面の平滑化を図っている。

【００４２】高温環境にて進行するＡｇ／Ａｌ間の拡
散がＰｄが添加されていることにより、抑えられ、接合
強度の劣化が抑制される。このことも、電極とリード線
との接合界面の観察、及び耐久試験等により確認された
もので、接合界面におけるＡｇ／Ａｌ拡散層の生成が、
純Ａｇ導体の場合に比べ低く抑えられており、Ｐｄ添加
量が多いほど、拡散層の抑制効果が大きいことがわかっ
た。

【００４３】リード線Ｓと接合する第２の電極に、リ
ード線Ｓとの接合の障害となるようなガラス成分及び無
機酸化物（ガラス等）を殆ど含有していない（１重量％
未満）。これは、超音波ＷＢによるリード線（Ｓ）と電
極との接合は、金属原子間の結合で達成されるため、ガ
ラス等の無機分子の存在は、接合の障害となるからであ
る。そこで、本実施形態では、上述のように、第１の電
極はガラス等を含有するＡｇ／Ｐｄ厚膜、第２の電極
は、ガラスレス（ガラス等が１重量％未満、好ましくは
０重量％）のＡｇ／Ｐｄ厚膜としている。

【００４４】ところで、上述のように、振動体１上に直
接形成される第１の電極（電極１０〜１７）及び電極１
８〜２４、即ち本発明でいう電極のガラス量（電極材料
総量に対するガラス等の含有量）は、１重量％以上５重
量％以下としているが、次に、その根拠について述べ
る。ガラス量が多いと電極を焼き付ける際に振動体１が
反る。これにより、振動体１が正規の駆動方向（本実施
形態ではｙ軸方向）に正しく振動せず、結果として、不
要振動（ｙ軸方向から外れた斜め振動）を発生させるこ
とになるので、ガラス量は、少ない方が望ましい。

【００４５】但し、本発明者の検討によれば、ガラスを
１重量％以上含まないと、圧電体（本例ではＰＺＴセラ
ミクス）と電極自身との結合強度を確保できず、振動体
１の振動に抗して安定して電極の接着性が確保できない
ことを、耐久試験等により実験的に確認している。そこ
で、電極１０〜２４において、ガラス量が１重量％以上
の構成とした振動体（ＰＺＴ）１について、不要振動の
度合を調査した。

【００４６】この調査は、上記ガラス成分（ＰｂＯ−Ａ
ｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ系、ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＳｉＯ₂系、Ｐ
ｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系等）、無機酸化物（Ｂｉ₂
Ｏ₃、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ等）及び電極母材（Ａｇ
／Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ等）について行なった。ここで、図
４を参照して、振動体１に歪みが発生した場合の不要振
動の測定方法を示しておく。尚、図４ではＷＢ用電極は
省略してある。

【００４７】図４に示す様に、不要振動測定回路は、自
励発振回路４０と検出回路５０とを備える。自励発振回
路４０は振動体１を駆動周波数にて振動させるための回
路であり、振幅制御回路４２、反転回路４４、チャージ
アンプ回路４６及びバッファ回路４８を備え、上記作動
の説明にて述べたように、振動体１を自励発振制御によ
り駆動振動させるようになっている。

【００４８】即ち、自励発振回路４０は、振幅制御回路
４２からの出力（交流電圧）を駆動電極１０に、その出
力を反転回路４４にて反転させた位相差１８０度の交流
電圧を駆動電極１２に、それぞれ印加すると共に、その
電圧印加によって生じる振動体１の振動状態を、モニタ
電極１２、１３に発生する電荷をチャージアンプ回路４
６にて電圧信号に変換し、更にこの信号をバッファ回路
４８を介して、振幅制御回路４２にフィードバックする
ことにより、振幅制御回路４２の動作によって、バッフ
ァ回路４８からの信号レベルが一定となるように、振動
体１を自励発振させる。

【００４９】検出回路５０は、電流−電圧変換回路５
２、５４及び差動増幅器５６を備え、駆動振動中に振動
体１に発生する不要振動を、各検出用パット電極１６、
１７からの出力として、各々、電流−電圧変換回路５
２、５４に取り込み、これを差動増幅器５６に入力し、
差分をとり、検出信号としてロックインアンプ６０に入
力するようになっている。

【００５０】この時、振幅制御回路４２への入力信号を
基準信号Ｖｒとして、ロックインアンプ６０に上記検出
信号とともに入力し、ロックインアンプ６０において同
期検波を行い、検出信号の中から、その基準信号Ｖｒに
対して位相差が９０度の直交信号成分Ｖ１（＝Ａｓｉｎ
φ）、基準信号Ｖｒと同位相の信号成分Ｖ２（＝Ａｃｏ
ｓφ）、又は、これらを合成した信号を取り出す（Ｖ
_out）。これをもって、振動体１の駆動時における、角
速度が無い状態での不要振動（オフセット電圧）を測定
できる。

【００５１】上記不要振動測定方法にて、不要振動の度
合を調査した結果は、上記したガラス等、電極母材の種
類によらず同傾向を示すが、その一例を図５に示す。こ
れは、ＰｂＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスにＢｉ₂
Ｏ₃、ＺｎＯ、ＮｉＯを微量添加したものをガラス等と
し、これを電極母材としてのＡｇ／Ｐｄに、重量％にて
添加したものにおける調査であり、ガラス量（単位：重
量％）と不要振動Ｖ１（単位：ｄＢＶ）との関係を表し
ている。

【００５２】ここで、本発明における実用上影響の無い
不要振動のレベルは、２０ｄＢＶ以下としている。本実
施形態の角速度センサは、車両姿勢制御等に利用可能で
あるが、この車両用角速度センサは、現在最も高性能な
特性を要求される圧電振動素子の一つであり、不要振動
低減の要求が最も厳しい。車両用角速度センサにおい
て、不要振動が大きいと、例えば温度ドリフト特性に悪
影響を及ぼす。温度ドリフトとは、振動体１に角速度が
加わっていない状態での出力（オフセット電圧）の温度
依存性を示したものであり、その値が小さい程、高性能
な角速度センサと言うことができる。

【００５３】本発明者の検討によれば、不要振動による
温度ドリフト特性の値としては、実用上、例えば−４０
℃〜８５℃において温度ドリフト幅が２°／秒であるこ
とが好ましく、そのレベルの温度ドリフト特性を実現す
るためには、不要振動を２０ｄＢＶ以下とする必要があ
る。従って、圧電振動素子の中でも不要振動低減の要求
が最も厳しいものの一つである車両用角速度センサの実
用レベルが、不要振動の指標となっている。

【００５４】図５に示す様に、電極１０〜２４中のガラ
ス量が、電極材料の総量の５重量％以下であれば、不要
振動を、圧電振動素子において実用上影響が無い２０ｄ
ＢＶ以下とできている。また、図６は、同じ調査例にお
いて、電極１０〜２４中のガラス量（単位：重量％）
と、振動体１へのガラス等の拡散深さ（単位：ｍｍ）と
の関係を、顕微鏡観察等により調べたもので、ガラス量
の減少に伴い、振動体１へのガラス等の拡散深さも減少
している。

【００５５】なお、上記したガラス等、電極母材の種類
によっては、上記ガラス等の拡散現象は多少定量的に異
なるが、不要振動とガラス量との関係は同傾向であっ
た。これは、拡散深さによらずガラス量の増加に伴い、
振動体１内に拡散するガラス等の量が増加するためと推
定される。これら本発明者の検討に基づき、本実施形態
では、振動体１上に直接形成される電極１０〜２４のガ
ラス量を５重量％以下とすることにより、不要振動が実
用上影響の無い程度まで低減することができる。

【００５６】さらに、不要振動低減のみに着目すれば、
ガラス量は０でもよいが、電極と圧電体との接着性を確
保するには、ガラス等を含有した電極構成とすることが
必要であり、本実施形態では、振動体１の振動に抗して
安定して電極の接着性を確保することも考慮している。
以上が、本実施形態において、ガラス量を１重量％〜５
重量％以下とした根拠である。

【００５７】このように、本実施形態によれば、電極１
０〜２４において、ガラス等を５重量％以下の含有量と
しているから、ガラス等の振動体１内への拡散を抑制す
ることができ、不要振動が実用上影響の無い程度まで低
減するような電極構成を実現することができる。さら
に、ガラス量が１重量％以上であるから、振動体１の振
動に抗して安定して電極１０〜２４の接着性が確保でき
る。

【００５８】（他の実施形態）なお、上記音叉形状をな
す振動体１においては、各電極の配置構成、形状等は適
宜設計変更してよいことは勿論である。また、振動体１
は上記音叉形状に形状限定されるものではない。例え
ば、一本の角柱アーム部からなるものでも良い。また、
例えば、一対のアーム部と該各アーム部の一端を互いに
連結する連結部とからなる二組の音叉部を、各音叉部の
連結部を共通にして一体化することにより櫛形又はＨ字
形に形成された形状でもよい。

【００５９】また、本発明にて規定したガラス量は、不
要振動低減の要求が最も厳しい上記角速度センサに基づ
いて規定したものであるから、上記角速度センサのみな
らず、それ以外の信号入出力用の電極が形成された圧電
振動体を備える圧電振動素子、即ち圧電を利用して振動
させるものに対しても効果がある。例えば、メカニカル
フィルタ、超音波トランス、超音波ソナー、超音波マイ
ク、圧電ブザー、ノックセンサ等の圧電振動素子に対し
ても、本発明は同様に適用可能である。

【００６０】なお、電極中のガラス量以外にも、例え
ば、圧電体の焼結状態、電極材の種類、圧電体の表面状
態、焼付け時の炉の影響など、歪みに影響する要因は多
々あると考えられる。しかし、本発明者は、電極中のガ
ラス量が、圧電振動体の歪みに対して最も影響が大きい
ことを確認しており、本発明は、この知見に基づいて、
電極のガラス量を好適範囲に規定したものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る角速度センサの構成を
示す斜視図である。

【図２】図１の振動体の外周面上に形成された各電極の
構成を、振動体の前後、左右から見た展開図である。

【図３】図１の振動体におけるリード線と電極との接続
構成を示す断面図である。

【図４】不要振動の測定方法を示す説明図である。

【図５】ガラス量と不要振動Ｖ１との関係を表すグラフ
である。

【図６】ガラス量とガラス等の振動体内への拡散深さと
の関係を表すグラフである。

【符号の説明】

１…振動体、４、５…アーム部、６…連結部、１０、１
１…駆動電極、１２、１３…参照電極、１４、１５…取
出し電極、１６、１７…検出用パット電極、１８、１９
…角速度検出電極、２０…共通電極、２１、２２…第１
の接続電極、２３、２４…第２の接続電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体からなる圧電振動体（１）と、前記圧電振動体に形成され、前記圧電振動体に対して信
号を入出力するための電極（１０〜２４）とを備える圧
電振動素子において、前記電極は、導電性を有する電極母材に前記圧電振動体
との接着性を確保するためのガラス成分及び無機酸化物
を、５重量％以下含有させてなるものであることを特徴
とする圧電振動素子。
【請求項２】前記ガラス成分及び無機酸化物の含有量
が、１重量％以上であることを特徴とする請求項１に記
載の圧電振動素子。
【請求項３】前記ガラス成分は、ＰｂＯ−Ａｌ₂Ｏ₃
−ＳｉＯ系ガラス、ＺｎＯ−ＰｂＯ−ＳｉＯ₂系ガラ
ス、ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス、及びこれら
を混合したガラスのうちから選択されたものであり、前
記無機酸化物は、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ
及びこれらの混合物から選択されたものであることを特
徴とする請求項１または２に記載の圧電振動素子。
【請求項４】前記電極母材は、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐ
ｔ及びこれらの混合物から選択された金属であることを
特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧
電振動素子。
【請求項５】角柱状に形成された一対のアーム部
（４、５）とこれら各アーム部を連結する連結部（６）
とにより音叉形状に形成された圧電体からなる圧電振動
体（１）と、前記圧電振動体に形成された電極（１０〜２４）とを備
え、前記電極を介して前記圧電振動体に対して信号を入出力
することにより、前記両アーム部の配列方向に平行なｙ
軸方向へ、前記アーム部を励振させるとともに、前記アーム部の長手方向に平行なｚ軸回りの角速度が入
力された時に、前記ｙ軸および前記ｚ軸と直交するｘ軸
方向へ生じる前記アーム部の振動状態を、検出するよう
にした角速度センサであって、前記電極（１０〜２４）は、導電性を有する電極母材に
前記圧電振動体との接着性を確保するためのガラス成分
及び無機酸化物を、５重量％以下含有させてなるもので
あることを特徴とする角速度センサ。
【請求項６】前記ガラス成分及び無機酸化物の含有量
が、１重量％以上であることを特徴とする請求項５に記
載の角速度センサ。