JP2002372419A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 片持ち梁型の音片振動子を角速度センサとし
て用いる場合、一方の面に分割電極、他面に全面電極を
設けて駆動と検出の電極として共用する回路を用いる
が、駆動条件と検出条件の最適点が異なるため、角速度
に対する感度を高くすることができない。 【解決手段】 ２枚の圧電基板２、３を貼り合わせ支持
体２０で一方の端を固定した圧電素子１の一方の面の支
持体側に幅向に分割された２つの電極６ａ、６ｂ、先端
側に電極７、相対する面に全面電極８を設ける。先端部
の電極７、８に駆動手段１２、電極６ａ、６ｂに検出手
段１３と同期検波手段１４を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は角速度センサに関
し、特にナビゲーションシステムや手ぶれなどの防振シ
ステム、動作検知に用いられる角速度センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図１５（ａ）は従来の角速度センサを構
成する圧電素子の斜視図、図１５（ｂ）は駆動・検出方
法を示すブロック図である。圧電素子１には圧電基板２
と圧電基板３が接合され、接合された基板の一方の主面
に電極６ａ、６ｂ、反対側の主面に電極７が設けられて
いる。振動子４は支持体２０にその一端を支持されてお
り、片持ち梁を構成している。電極６ａ、６ｂと電極７
の間に駆動手段１２により駆動信号を与え、振動子を振
動させる。角速度が加わると、振動している梁にコリオ
リ力が発生し、電極６ａ、電極６ｂに発生する電荷に差
が生じる。この差を検出手段１３で検出し、駆動信号を
参照信号として同期検波手段１４により同期検波するこ
とにより角速度を検知する。

【０００３】分割された電極６ａ、６ｂは検出と同時に
駆動信号を入力するため、駆動手段１２と電極６ａ、電
極６ｂの間に抵抗３１、３２を設けて、コリオリ力によ
り電極６ａ、電極６ｂ間に発生する電位差を検出する。
このような駆動・検出方法は特許番号２７８０６４３号
公報にも開示されている。

【０００４】分割電極６ａ、６ｂと駆動手段１２の間に
抵抗３１、３２を接続すると、圧電素子に実質的にかか
る電界強度は、抵抗３１、３２と圧電素子の駆動周波数
におけるインピーダンスで分圧された大きさとなる。駆
動周波数は、共振周波数に極めて近い値に設定するた
め、共振時の抵抗成分で分圧されたものと見なせる。従
って、圧電素子には駆動手段から出力される電圧よりも
低い電圧しか実質的にかかっていないことになり、梁の
先端の駆動速度が上がらず感度を高くできない。圧電素
子に加わる電圧を高くするためには、抵抗３１、３２を
小さくすればよいが、この場合にはコリオリ力の検出に
問題が生じる。検出手段１３の入力端にも抵抗３１、３
２が接続されており、一方圧電素子は誘電体でもあり静
電容量を持つ。検出手段１３の入力端子から見ると、抵
抗３１、３２と圧電素子の静電容量がハイパスフィルタ
を形成したようになる。抵抗３１、３２が小さいと駆動
周波数では、ハイパスフィルタの減衰域にあり検出信号
が減衰する。このため、検出信号が小さくなり角速度に
対する感度が低くなる。

【０００５】以上のように、駆動と検出を一つの電極対
で共用して行うと駆動力の向上と検出感度の向上が相反
するものとなり、圧電素子のもつ最大の検出能力を発揮
させることができないと言う問題を有していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この問題を解決するた
めには、駆動と検出を分離しそれぞれ別電極で行うこと
が考えられる。特開平８−１２２０８２号公報に記載の
方法に用いる圧電振動子の構造が開示されている。そこ
では、一方の面に幅方向に３分割した電極を形成し、真
ん中の電極を駆動電極とし、両端の電極を検出電極とす
るものである。このような構造では、駆動と検出を分離
して行うことができるが、中央に駆動電極を設けて、十
分な駆動力を得るためには幅を持たざるを得ず、両側の
検出電極の幅が細く面積が小さくなり、検出する電荷量
が小さくなってしまうという問題を有していた。

【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、駆動と検出を分離しても駆動力が高く、かつ検
出電極に発生する電荷量を高くできるため、低電圧駆動
しても角速度に対して高い感度の得られる角速度センサ
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１記載の発明は、複数の圧電基板が
接合された角柱状の梁と前記梁を支持する支持体とから
なり、前記梁の主面の先端側に駆動用電極、支持体側に
幅方向に分割された検出用電極を有する圧電素子を用
い、先端側の駆動用電極に駆動手段を、検出用電極に検
出手段を接続したことを特徴とする。本構成によれば、
検出用電極が発生電荷量の大きい支持体側に幅方向にい
っぱいに設けられており、コリオリ力を高感度で検出す
ることができる角速度センサが提供される。

【０００９】本発明の請求項２記載の発明は、複数の圧
電基板が接合された角柱状の梁と前記梁を支持する支持
体とからなり、前記梁の主面の先端側に検出用電極、支
持体側に幅方向に分割された駆動用電極を有する圧電素
子を用い、分割された駆動用電極に駆動手段を、先端側
の検出用電極に検出手段を接続したことを特徴とする。
本構成によれば、最も効率的に歪みを発生させることが
できる支持体側に駆動用電極を設けるため、低い駆動電
圧でも高い先端振動速度を得ることができ、感度の高い
角速度センサが提供できる。

【００１０】本発明の請求項３記載の発明は、複数の圧
電基板が接合された角柱状の梁と前記梁を支持する支持
体とからなり、前記梁の主面の先端側に幅方向に分割さ
れた駆動用電極、支持体側に検出用電極を有する圧電素
子を用い、先端側の分割された駆動用電極に駆動手段
を、検出用電極に検出手段を接続したことを特徴とす
る。本構成によれば、検出用電極が発生電荷量の大きい
支持体側に幅方向にいっぱいにかつバイモルフ構造の両
面に設けられているため、コリオリ力を高感度で検出す
ることができる角速度センサが提供される。

【００１１】本発明の請求項４記載の発明は、複数の圧
電基板が接合された角柱状の梁と前記梁を支持する支持
体とからなり、前記梁の主たる面の先端側に幅方向に分
割された検出用電極、支持体側に駆動用電極を有する圧
電素子を用い、駆動用電極に駆動手段を、先端側の分割
された検出用電極に検出手段を接続したことを特徴とす
る。本構成によれば、最も効率的に歪みを発生させるこ
とができる支持体側に駆動電極をバイモルフ構造の両面
に設けるため、低い駆動電圧でも高い先端振動速度を得
ることができ、感度の高い角速度センサが提供できる。

【００１２】本発明の請求項５記載の発明は、前記梁の
片端を前記支持体で支持した圧電素子を用いることを特
徴とする。本構成によれば、梁の長さを短くでき小型の
角速度センサが提供できる。

【００１３】本発明の請求項６記載の発明は、前記梁の
長さ方向の中央を前記支持体で支持した圧電素子を用い
ることを特徴とする。本構成によれば、中央を支持する
ため、振動のバランスがよく振動損失が小さいため、振
動速度が高く感度の高い角速度センサが提供できる。

【００１４】本発明の請求項７記載の発明は、前記駆動
用電極および検出用電極が支持体に対して長さ方向に略
対称に設置されていることを特徴とする。

【００１５】本発明の請求項８記載の発明は、前記梁の
一方の面に全面電極が設けられていることを特徴とす
る。本構成によれば、表裏のパターン合わせを必要とせ
ず製造の容易な角速度センサが提供できる。

【００１６】本発明の請求項９記載の発明は、前記梁の
一方の面に分割されてない電極のみが反対面と略同じ位
置に設けられていることを特徴とする。本構成によれ
ば、厚み方向に対称に電極が設けられているため、駆動
に漏れを生じたり、漏れ振動を検出することのない安定
な角速度センサが提供できる。

【００１７】本発明の請求項１０記載の発明は、前記複
数の圧電基板が直接接合されていることを特徴とする。
本構成によれば、直接接合することにより、振動の損失
を招く接着層がないため、高感度で安定な角速度センサ
が提供される。

【００１８】本発明の請求項１１記載の発明は、前記複
数の圧電基板が酸素原子及び水酸基の少なくとも１つを
介して直接接合によって接合されてなることを特徴とす
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１から図１４を用いて説明する。

【００２０】（実施の形態１）図１は、本発明に係る実
施の形態１における角速度センサの圧電素子と駆動・検
出方法を示す図である。圧電素子１は２枚の圧電基板
２、３を接合して形成されている。圧電基板には、ニオ
ブ酸リチウム単結晶を用いた。ニオブ酸リチウムは、圧
電性が比較的大きく、かつ振動損失が小さくＱの高い振
動子を構成できる。２枚の圧電基板の分極方向は互いに
逆になるように接合されている。接合された圧電基板
は、厚さと幅がほぼ等しくなるような角柱状の梁（振動
子部）４に加工され、一方の端に支持体２０が接合され
て片持ち梁構造となっている。

【００２１】図２は圧電素子１の表裏の電極配置を示す
図である。図１の圧電素子１の上面の電極配置は図２
（ａ）であり、反対面は図２（ｂ）である。一方の主面
には幅方向に等しい幅で分割された電極６ａ、６ｂが支
持体側に形成されている。先端側には電極７が幅方向一
杯に設けられ、電極６ａ、６ｂの間を通って支持体部ま
で引き出されている。電極６ａ、６ｂ、７と相対する面
には全面に電極８が形成されている。裏面の電極８は図
２（ｂ）のように全面電極とすると、表裏のパターン合
わせの必要が無く、製造が容易である。電極にはクロム
を下地とした金を用いた。

【００２２】電極７と電極８には駆動回路１２が接続さ
れており、圧電素子の接合方向（厚み方向に）に梁４の
共振周波数に極めて近い駆動信号が印加される。この駆
動信号により梁４は撓み振動を起こす。振動している梁
に角速度が加わると振動方向と直角方向にコリオリ力が
発生する。この場合、梁の幅方向（圧電基板の面方向）
にコリオリ力が発生するため、電極６ａと６ｂの間に発
生電荷に差が生じる。電極６ａ、６ｂは検出回路１３に
接続されており、この電荷の差を差動増幅回路などによ
り検出する。検出回路１３は、バッファ回路や差動増幅
回路で構成さている。さらに検出回路の出力は、駆動回
路１２の駆動信号を参照信号として同期検波回路１４に
より同期検波して角速度の大きさに応じた直流信号を得
る。

【００２３】駆動回路と検出回路は独立しており相互に
影響することがないため、それぞれ圧電素子に対して最
適な条件で回路定数等を決定することができる。片持ち
梁が撓み振動するとき、梁内部に生じる歪みは支持体側
が大きく、先端に近づくほど小さくなる。従って、コリ
オリ力により発生する歪みも支持体付近の方が大きく、
発生電荷量も大きい。検出電極は支持体側に設けられて
おり、大きな発生電荷が生じる位置にある。先端部には
検出電極はないが、全長に検出電極を設けた場合とほぼ
変わらない検出感度を得ることができた。

【００２４】駆動電極は小さくともＱの高い構造で有れ
ば、低電圧でも十分に大きな振動速度を得ることができ
た。駆動電極と検出電極の長さの比は、最も感度が高く
なるよう調整すればよい。検出電極を長くする方が有利
である。

【００２５】裏面の電極８は図２（ｃ）の様に電極７と
同じ大きさで対向する位置に設けてもよい。駆動信号に
よる電界の検出電極側への広がりが無く、信号の漏れが
ないため、ノイズ成分の少ない角速度センサとなる。

【００２６】圧電基板２、３の接合には直接接合法をを
用いた。直接接合による接合では基板の表面を研磨して
表面を均一な鏡面にしたのち、洗浄し表面のゴミや汚染
物を取り去る。この基板を親水化処理して表面を活性化
し、乾燥した後、２枚の基板を重ね合わせる。ここで、
直接接合による接合の原理について述べる。図３は本発
明の実施の形態１における圧電素子の製造工程における
直接接合による接合の各段階における圧電基板の界面状
態を示す。図３中、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は圧電基板間の距
離を示している。まず、圧電基板である２枚のニオブ酸
リチウム基板２、３の両面を鏡面研磨する。次いで、こ
れらのニオブ酸リチウム基板２１ａ、２１ｂを、アンモ
ニアと過酸化水素と水の混合液（アンモニア水：過酸化
水素水：水＝１：１：６（容量比））で洗浄して、ニオ
ブ酸リチウム基板２１ａ、２１ｂに親水化処理を施す。
図３（ａ）に示すように、前記混合液で洗浄された圧電
基板２、３の表面は水酸基（−ＯＨ基）で終端され、親
水性になっている（接合の前の状態）。

【００２７】次いで、図３（ｂ）に示すように、親水化
処理を施した２枚の圧電基板２、３を、分極軸の向きが
互いに反対方向となるようにして接合する（Ｌ１＞Ｌ
２）。これにより、脱水が起こり、圧電基板２と圧電基
板３は、水酸基の重合や水素結合などの引力により引き
合って接合される。このように、鏡面研磨された面同士
を表面処理して、接触させることにより、界面に接着剤
などの接着層を介さずに対向する面を接合することを
「直接接合」による接合と呼ぶ。

【００２８】直接接合による接合では接着剤を使用しな
いので、接合界面に接着層が存在しない。接着層は振動
を吸収して感度を劣化させたり、ばらつきの原因となっ
たり、温度特性を劣化させたりするが、直接接合による
接合を用いることにより接合界面での振動吸収がなく、
ばらつきや温度変化のない接合を得ることができる。ま
た、一般的には、熱処理を施すことにより、分子間力に
よる接合から共有結合やイオン結合などの原子レベルの
より強力な接合となる。

【００２９】また、所望により、上記のようにして接合
した圧電基板２、３に、４５０℃の温度で熱処理を施し
てもよい。これにより、図３（ｃ）に示すように、圧電
基板２の構成原子と圧電基板３の構成原子との間が酸素
原子Ｏを介して共有結合した状態となり（Ｌ２＞Ｌ
３）、圧電基板２、３が原子レベルでさらに強固に直接
接合される。即ち、接合の界面に接着剤などの接着層の
存在しない結合状態が得られる。別の場合としては、圧
電基板２の構成原子と圧電基板３の構成原子との間が水
酸基を介して共有結合した状態となり、圧電基板２、３
が原子レベルで強固に直接接合される場合もある。

【００３０】なお、圧電基板が熱に弱い場合には熱処理
を行う必要はない。また、熱処理を行う場合には、圧電
体の分極が消失してしまうキュリー点を超えない温度範
囲での熱処理を行うことが好ましい。ニオブ酸リチウム
のキュリー点は１２１０℃であり、これに近い温度履歴
を受けることによって特性が劣化するため、上記キュリ
ー点以下の温度範囲で熱処理を行うのが望ましい。これ
によって、さらに強固な直接接合による接合をさせるこ
とができる。直接接合することにより、振動の損失を招
く接着層がないため、高感度で安定な角速度センサが提
供される。

【００３１】図４は、図１の圧電素子１と駆動・検出手
段を具備した角速度センサの分解斜視図である。圧電素
子１は支持体２０がパッケージ１０ａに固定されてい
る。パッケージ１０ａには、圧電素子１を駆動するため
の駆動手段１２とコリオリ力を検出するための検出手段
１３および同期検波手段１４を含む半導体回路素子９が
実装されている。パッケージ１０ａは他のパッケージ部
材であるパッケージ１０ｂにより蓋をされ、角速度セン
サ１００を構成している。圧電素子１の電極６ａ，６
ｂ，７，８と半導体回路素子９とは図示しない導電体で
接続されている。電極７は細い導通層が電極６ａ、６ｂ
の間に設けられ支持体まで伸ばされている。支持体部の
導電層などからワイヤーボンディングなどでパッケージ
上の導電層を接続した。裏面の電極８は支持体２０に設
けた導電層を介して半導体素子まで導通される。

【００３２】以上のように本実施の形態は、片持ち梁構
造を用いることにより小型であり、駆動と電極が分離さ
れ回路構成および回路定数の決定範囲が広く、検出部を
支持体付近に設けることにより先端部に検出電極が無く
とも感度の大きい角速度センサが実現できた。

【００３３】なお、圧電基板としてはニオブ酸リチウム
の他にタンタル酸リチウム、水晶などの圧電単結晶や、
ＰＺＴ系などの圧電セラミックを用いてもよい。

【００３４】また、電極材料はクロム、金に限るもので
はなく、チタンやニッケル、プラチナ等圧電基板に合わ
せて選択すればよい。

【００３５】また、圧電基板の接合に直接接合を用いた
が、これに限るものではなくエポキシ樹脂系などの接着
剤を用いて接着してもよい。

【００３６】また、半導体素子を図４のようにパッケー
ジ内に設けず、外部に別に実装してもよい。

【００３７】（実施の形態２）本発明の実施の形態２に
おける角速度センサに用いる圧電素子と駆動・検出方法
のブロック図を図５に示す。ニオブ酸リチウムからなる
圧電基板２、３が接合され、その主たる相対する面に電
極６ａ、６ｂと電極７が形成されている。接合された圧
電基板は、厚さと幅がほぼ等しくなるような角柱状の梁
４に加工され、中央部に支持体２０が接合された中央支
持梁構造となっている。

【００３８】図６（ａ）、（ｂ）は図５の圧電素子１の
電極配置を示す図である。上面の電極が図６（ａ）、反
対面が図６（ｂ）に示されている。電極６ａ、６ｂは幅
方向に分割されて、中央の支持体側に形成されている。
電極７は、両端側に全幅にわたり形成されている。電極
６ａ、６ｂ、７は長さ方向の中心に対して略対称な形状
となっている。裏面の電極８は全面に形成されている。
電極７と電極８の間に駆動回路１２により駆動信号を印
加し、梁４を撓み振動させ、電極６ａ、６ｂの間に検出
回路１３と同期検波回路１４を接続し、コリオリ力によ
り発生電荷量の差を検出する。

【００３９】図５の圧電素子１は中央部を支持された中
央支持梁構造を有する。中央支持梁構造では、振動が支
持部を中心に対称となり重心が支持部に来るため、非常
にバランスがよく安定な圧電振動子となる。このため振
動損失が小さく、先端の振動速度を高くできるため、高
感度化しやすい利点を持つ。また、支持体を小さくして
も安定に保持できる。

【００４０】電極が対称に設置してあるため、振動の対
称性も高く安定性が高くできる。他の構成は実施の形態
１と同様であるので詳細な説明は省略する。

【００４１】なお、裏面の電極８は図６（ｃ）に示す様
に上面の電極と同じ位置に同じ形状に設けてもよく、こ
の場合漏れ振動の影響を小さくできる。

【００４２】以上のように、本実施の形態によれば、駆
動と電極が分離され回路構成および回路定数の決定範囲
が広く、支持体を中央に設けることにより振動損失が小
さく振動速度が高く、検出部を支持体付近に設けること
により先端部に検出電極が無くとも感度が高く安定度の
高い角速度センサが実現できた。

【００４３】なお、圧電基板としてはニオブ酸リチウム
の他にタンタル酸リチウム、水晶などの圧電単結晶や、
ＰＺＴ系などの圧電セラミックを用いてもよい。

【００４４】（実施の形態３）本発明の実施の形態３に
おける角速度センサに用いる圧電素子と駆動・検出方法
のブロック図を図７に示す。

【００４５】圧電素子１の形状、電極配置は実施の形態
１と同じであるので説明は省略するが、分割電極６ａ、
６ｂの長さが短く、両端の電極７、８が長くなってい
る。支持体側に幅方向に分割された電極６ａ、６ｂに駆
動回路１２が接続されている。駆動信号は、梁４の幅方
向の共振周波数に極めて近い周波数とした。電極６ａ、
６ｂに駆動信号を印加することにより梁４は幅方向に撓
み振動する。角速度が梁に加わると、コリオリ力が梁の
厚み方向（上下方向）に発生する。この発生電荷を検出
回路１３で検出し、駆動信号を参照信号として同期検波
して角速度を検知する。

【００４６】駆動電極は支持体側に設けてあるため、小
さな電圧でも大きな駆動力を得ることができ、振動速度
を高めることができる。また、梁の固定方向に振動しな
いため固定の影響による振動の損失がなく、高い振動速
度を固定状態によらず得ることができる。また駆動電極
が小さくてもよいので、検出電極面積を大きく取れる。
このため、駆動電極６ａ、６ｂを短く、検出電極７を長
くしている。

【００４７】なお、裏面の電極８は実施の形態１と同様
に全面電極としても、上面と同じ位置に同じ大きさのも
のを相対して設けてもよい。

【００４８】以上のように、本実施の形態は、駆動と検
出が分離され、幅方向に振動するために、固定状態の影
響を受けず、感度の高い角速度センサが得られた。

【００４９】（実施の形態４）本発明の実施の形態４に
おける角速度センサに用いる圧電素子と駆動・検出方法
のブロック図を図８に示す。圧電素子１の形状、電極配
置は実施の形態２と同じであるので説明は省略するが、
分割電極６ａ、６ｂの長さが短く、両端の電極７、８が
長くなっている。

【００５０】駆動方法は、実施の形態３と同じであり、
支持体側に配置され幅方向に分割された電極６ａ、６ｂ
に駆動回路１２により駆動信号を与え、幅方向に駆動
し、コリオリ力による歪みを電極７、８に接続した検出
回路１３、同期検波回路１４で検出する。図８の圧電素
子１は中央部を支持された中央支持梁構造を有する。中
央支持梁構造では、振動が支持部を中心に対称となり重
心が支持部に来るため、非常にバランスがよく安定な圧
電振動子となる。このため振動損失が小さく、先端の振
動速度を高くできるため、高感度化しやすい利点を持
つ。また、支持体を小さくしても安定に保持できる。電
極が対称に設置してあるため、振動の対称性も高く安定
性が高くできる。

【００５１】また、幅方向梁の固定方向に振動しないた
め固定の影響による振動の損失がなく、高い振動速度を
固定状態によらず得ることができた。

【００５２】なお、裏面の電極８は実施の形態２と同様
に全面電極としても、上面と同じ位置に同じ大きさのも
のを相対して設けてもよい。

【００５３】以上のように、本実施の形態は、駆動と検
出が分離され、幅方向に振動するために、固定状態の影
響を受けず、かつ振動損失が小さいため感度の高い角速
度センサが得られた。

【００５４】（実施の形態５）本発明の実施の形態５に
おける角速度センサに用いる圧電素子と駆動・検出方法
のブロック図を図９に示す。圧電素子１は２枚の圧電基
板２、３を接合して形成されている。圧電基板には、ニ
オブ酸リチウム単結晶を用いた。ニオブ酸リチウムは、
圧電性が比較的大きく、かつ振動損失が小さくＱの高い
振動子を構成できる。２枚の圧電基板の分極方向は互い
に逆になるように接合されている。接合された圧電基板
は、厚さと幅がほぼ等しくなるような角柱状の梁４に加
工され、一方の端に支持体２０が接合されて片持ち梁構
造となっている。

【００５５】図１０は圧電素子１の表裏の電極配置を示
す図である。図９の圧電素子１の上面の電極配置は図１
０（ａ）であり、反対面は図１０（ｂ）である。一方の
主面には幅方向に等しい幅で分割された電極６ａ、６ｂ
が先端側に形成されており、端部に沿って支持体部まで
引き出されている。支持体側には電極７が幅方向一杯に
設けられている。電極７は短く、電極６ａ、６ｂは長く
しており、電極６ａ、電極６ｂの湿る面積を大きくし
た。電極６ａ、６ｂ、７と相対する面には全面に電極８
が形成されている。（図１０（ｂ））全面電極とする
と、表裏のパターン合わせの必要が無く、製造が容易で
ある。電極にはクロムを下地とした金を用いた。

【００５６】電極７と電極８には駆動手段１２が接続さ
れており、圧電素子の接合方向（厚み方向に）に梁４の
共振周波数に極めて近い駆動信号が印加される。この駆
動信号により梁４は撓み振動を起こす。振動している梁
に角速度が加わると振動方向と直角方向にコリオリ力が
発生する。この場合、梁の幅方向（圧電基板の面方向）
にコリオリ力が発生するため、電極６ａと６ｂの間に発
生電荷に差が生じる。電極６ａ、６ｂは検出手段１３に
接続されており、この電荷の差を差動増幅回路などによ
り検出する。検出回路１３は、バッファ回路や差動増幅
回路で構成されている。さらに検出回路の出力は、駆動
回路１２の駆動信号を参照信号として同期検波回路１４
により同期検波して角速度の大きさに応じた直流信号を
得る。

【００５７】片持ち梁が撓み振動するとき、梁内部に生
じる歪みは支持体が大きく、先端に近づくほど小さくな
る。支持体側に大きな歪みを発生させるだけで、容易に
先端速度の大きな振動が発生する。支持体近傍に駆動電
極を設けるだけでも、全面に駆動電極を有する場合と比
べてもほぼ同じだけの振動速度を得ることができる。コ
リオリ力により発生する歪みも支持体付近の方が大きい
が、電極７を短くして検出電極を長くすることにより、
振動速度が大きいため感度は十分高く得ることができ
た。

【００５８】なお、裏面の電極８は図１０（ｃ）に示す
様に上面の電極と同じ位置に同じ形状に設けてもよく、
この場合漏れ振動の影響を小さくできる。

【００５９】以上のように、本実施の形態は、片持ち梁
構造を用いることにより小型であり、駆動と電極が分離
され回路構成および回路定数の決定範囲が広く、駆動部
を支持体付近に設けることにより小さな面積でも高い振
動速度を得ることができ、感度の高い角速度センサが実
現できた。

【００６０】なお、圧電基板としてはニオブ酸リチウム
の他にタンタル酸リチウム、水晶などの圧電単結晶や、
ＰＺＴ系などの圧電セラミックを用いてもよい。

【００６１】また、電極材料はクロム、金に限るもので
はなく、チタンやニッケル、プラチナ等圧電基板に合わ
せて選択すればよい。

【００６２】（実施の形態６）本発明の実施の形態６に
おける角速度センサに用いる圧電素子と駆動・検出方法
を示すブロック図を図１１に示す。ニオブ酸リチウムか
らなる圧電基板２、３が接合され、その主たる相対する
面に電極６ａ、６ｂと電極７が形成されている。接合さ
れた圧電基板は、厚さと幅がほぼ等しくなるような角柱
状の梁４に加工され、中央部に支持体２０が接合された
中央支持梁構造となっている。

【００６３】図１２（ａ）、（ｂ）は図１１の圧電素子
１の電極配置を示す図である。上面の電極が図１２
（ａ）、反対面が図１２（ｂ）に示されている。電極７
は、支持体付近に端部を除いて形成されている。電極６
ａ、６ｂは幅方向に分割されて、電極７を除く先端側に
形成されており、電極７の周辺部に設けた細い導通部で
支持体上を通り両端部の電極が接続されている。電極６
ａ、６ｂ、７は長さ方向の中心に対して略対称な形状と
なっている。裏面の電極８は全面に形成されている。

【００６４】電極７と電極８の間に駆動回路１２により
駆動信号を印加し、梁４を撓み振動させ、電極６ａ、６
ｂの間に検出回路１３と同期検波回路１４を接続し、コ
リオリ力により発生電荷量の差を検出する。

【００６５】支持体側に大きな歪みを発生させること
で、容易に先端速度の大きな振動が発生する。支持体近
傍に駆動電極を設けるだけでも、全面に駆動電極を有す
る場合と比べてもほぼ同じだけの振動速度を得ることが
できる。コリオリ力により発生する歪みも支持体付近の
方が大きいが、電極７を短くして検出電極を長くするこ
とにより、振動速度が大きいため感度は十分高く得るこ
とができた。

【００６６】図１１の圧電素子１は中央部を支持された
中央支持梁構造を有する。両持ち梁構造では、振動が支
持部を中心に対称となり重心が支持部に来るため、非常
にバランスがよく安定な圧電振動子となる。このため振
動損失が小さく、先端の振動速度を高くできるため、高
感度化しやすい利点を持つ。また、支持体を小さくして
も安定に保持できる。

【００６７】電極が対称に設置してあるため、振動の対
称性も高く安定性が高くできる。他の構成は実施の形態
１と同様であるので詳細な説明は省略する。

【００６８】なお、裏面の電極８は図６（ｃ）に示す様
に上面の電極と同じ位置に同じ形状に設けてもよく、こ
の場合漏れ振動の影響を小さくできる。

【００６９】以上のように、本実施の形態によれば、駆
動と電極が分離され回路構成および回路定数の決定範囲
が広く、支持体を中央に設けることにより振動損失が小
さく振動速度が高く、駆動部を支持体付近に設けること
により小さな面積でも振動速度を大きくできるため感度
が高く安定度の高い角速度センサが実現できた。

【００７０】なお、圧電基板としてはニオブ酸リチウム
の他にタンタル酸リチウム、水晶などの圧電単結晶や、
ＰＺＴ系などの圧電セラミックを用いてもよい。

【００７１】（実施の形態７）本発明の実施の形態７に
おける角速度センサに用いる圧電素子と駆動・検出方法
のブロック図を図１３に示す。圧電素子１の形状、電極
配置は実施の形態５と同じであるので説明は省略する
が、分割電極６ａ、６ｂの長さが短く、支持体側の電極
７、８が長くなっている。

【００７２】先端側に幅方向に分割された電極６ａ、６
ｂに駆動回路１２が接続されている。駆動信号は、梁４
の幅方向の共振周波数に極めて近い周波数とした。電極
６ａ、６ｂに駆動信号を印加することにより梁４は幅方
向に撓み振動する。角速度が梁に加わると、コリオリ力
が梁の厚み方向（上下方向）に発生する。この歪みによ
る発生電荷を検出回路１３で検出し、駆動信号を参照信
号として同期検波して角速度を検知する。

【００７３】検出電極は支持体側に設けてあるため、先
端側に比べて歪みが大きく発生電荷量が大きい。そのた
め、先端部に検出電極が無くとも感度が高い。また、梁
の固定方向に振動しないため固定の影響による振動の損
失がなく、高い振動速度を固定状態によらず得ることが
できる。また駆動電極が小さくてもよいので、検出電極
面積を大きく取れる。このため、駆動電極６ａ、６ｂを
短く、検出電極７を長くしている。

【００７４】なお、裏面の電極８は実施の形態１と同様
に全面電極としても、上面と同じ位置に同じ大きさのも
のを相対して設けてもよい。

【００７５】以上のように、本実施の形態によれば、駆
動と検出が分離され、支持体側に駆動電極があるので駆
動力が高く、感度の高い角速度センサが得られた。

【００７６】（実施の形態８）本発明の実施の形態８に
おける角速度センサに用いる圧電素子と駆動・検出方法
のブロックを図１４に示す。圧電素子１の形状、電極配
置は実施の形態６と同じであるので説明は省略するが、
分割電極６ａ、６ｂの長さが長く、電極７、８が短くな
っている。

【００７７】駆動方法は、実施の形態７と同じであり、
支持体側に配置された電極７，８に駆動手段１２により
駆動信号を与え、厚み方向に駆動し、コリオリ力による
歪みを電極６ａ、６ｂに接続した検出回路１３、同期検
波回路１４で検出する。図１４の圧電素子１は中央部を
支持された中央支持梁構造を有する。中央支持梁構造で
は、振動が支持部を中心に対称となり重心が支持部に来
るため、非常にバランスがよく安定な圧電振動子とな
る。このため振動損失が小さく、先端の振動速度を高く
できるため、高感度化しやすい利点を持つ。また、支持
体を小さくしても安定に保持できる。

【００７８】電極が対称に設置してあるため、振動の対
称性も高く安定性が高くできる。また、バイモルフ構造
の厚み方向に駆動するため、駆動力が高く、高い振動速
度を得ることができた。

【００７９】なお、裏面の電極８は実施の形態６と同様
に全面電極としても、上面と同じ位置に同じ大きさのも
のを相対して設けてもよい。

【００８０】以上のように、本実施の形態によれば、駆
動と検出が分離され、支持体側に駆動電極があるため、
駆動力が高く感度の高い角速度センサが得られた。

【００８１】

【発明の効果】以上の説明より明白なように、本発明の
角速度センサは、駆動と検出を分離するために簡単な回
路構成でかつ回路定数の決定も独立に行うことができ、
駆動力が高く、かつ検出電極に発生する電荷量を高くで
きる電極配置をとることができ、かつ高い感度の得られ
る角速度センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における角速度センサに
用いる圧電素子と駆動・検出方法のブロック図

【図２】本発明の実施の形態１における角速度センサの
圧電素子の電極配置を示す図

【図３】本発明の実施の形態１における圧電素子の製造
工程における直接接合による接合の各段階における圧電
基板の界面状態を示す図

【図４】本発明の実施の形態１における角速度センサの
分解斜視図

【図５】本発明の実施の形態２における角速度センサに
用いる圧電素子と駆動・検出方法のブロック図

【図６】本発明の実施の形態２における角加速度センサ
の圧電素子の電極配置を示す図

【図７】本発明の実施の形態３における角速度センサに
用いる圧電素子と駆動・検出方法のブロック図

【図８】本発明の実施の形態４における角速度センサに
用いる圧電素子と駆動・検出方法のブロック図

【図９】本発明の実施の形態５における角速度センサに
用いる圧電素子と駆動・検出方法のブロック図

【図１０】本発明の実施の形態５における角加速度セン
サの圧電素子の電極配置を示す図

【図１１】本発明の実施の形態６における角速度センサ
に用いる圧電素子と駆動・検出方法を示すブロック図

【図１２】本発明の実施の形態６における角加速度セン
サの圧電素子の電極配置を示す図

【図１３】本発明の実施の形態７における角速度センサ
に用いる圧電素子と駆動・検出方法のブロック図

【図１４】本発明の実施の形態８における角速度センサ
に用いる圧電素子と駆動・検出方法のブロック図

【図１５】従来の角速度センサに用いる圧電素子と駆動
・検出方法のブロック図

【符号の説明】

１ 圧電素子 ２，３ 圧電基板 ４ 振動子部 ５ 固定用梁部 ６ａ，６ｂ，７，８ 電極 ９ 半導体素子 １０ａ，１０ｂ パッケージ １２ 駆動回路 １３ 検出回路 １４ 同期検波回路 ２０ 支持体 ３１，３２ 抵抗 １００ 角速度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 光洋 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 AA01 AA08 BB02 CC06 CD02 CD06 CD13 CD20

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の圧電基板が接合された角柱状の梁と
   前記梁を支持する支持体とからなり、前記梁の主面の先
   端側に駆動用電極、支持体側に幅方向に分割された検出
   用電極を有する圧電素子を用い、先端側の駆動用電極に
   駆動手段を、検出用電極に検出手段を接続したことを特
   徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】複数の圧電基板が接合された角柱状の梁と
   前記梁を支持する支持体とからなり、前記梁の主面の先
   端側に検出用電極、支持体側に幅方向に分割された駆動
   用電極を有する圧電素子を用い、分割された駆動用電極
   に駆動手段を、先端側の検出用電極に検出手段を接続し
   たことを特徴とする角速度センサ。
3. 【請求項３】複数の圧電基板が接合された角柱状の梁と
   前記梁を支持する支持体とからなり、前記梁の主面の先
   端側に幅方向に分割された駆動用電極、支持体側に検出
   用電極を有する圧電素子を用い、先端側の分割された駆
   動用電極に駆動手段を、検出用電極に検出手段を接続し
   たことを特徴とする角速度センサ。
4. 【請求項４】複数の圧電基板が接合された角柱状の梁と
   前記梁を支持する支持体とからなり、前記梁の主たる面
   の先端側に幅方向に分割された検出用電極、支持体側に
   駆動用電極を有する圧電素子を用い、駆動用電極に駆動
   手段を、先端側の分割された検出用電極に検出手段を接
   続したことを特徴とする角速度センサ。
5. 【請求項５】前記梁の片端を前記支持体で支持した圧電
   素子を用いることを特徴とする請求項１から４のいずれ
   か１項に記載の角速度センサ。
6. 【請求項６】前記梁の長さ方向の中央を前記支持体で支
   持した圧電素子を用いることを特徴とする請求項１から
   ４のいずれか１項に記載の角速度センサ。
7. 【請求項７】前記駆動電極および検出電極が支持体に対
   して長さ方向に略対称に設置されていることを特徴とす
   る請求項５に記載の角速度センサ。
8. 【請求項８】前記梁の一方の面に全面電極が設けられて
   いることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に
   記載の角速度センサ。
9. 【請求項９】前記梁の一方の面に分割されてない電極の
   みが反対面と略同じ位置に設けられていることを特徴と
   する請求項１から７のいずれか１項に記載の角速度セン
   サ。
10. 【請求項１０】前記複数の圧電基板が直接接合されてい
    ることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記
    載の角速度センサ。
11. 【請求項１１】前記複数の圧電基板が酸素原子及び水酸
    基の少なくとも１つを介して直接接合によって接合され
    ていることを特徴とする請求項１０に記載の角速度セン
    サ。
12. 【請求項１２】先端側の電極が支持体側に引き出され、
    支持体部から外部へ導通されることを特徴とする請求項
    １から１１のいずれか１項に記載の角速度センサ。