JP2005214881A - 角速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高価な設備や部材を使用しないで、駆動電極を支持・結合する支持部材と検出電極が電気的に短絡することなく、振動体電極部の信頼性が大幅に向上して、性能や品質を安定的に維持できる角速度センサを提供する。
【解決手段】
表面に駆動電極３ｂと検出電極３ｃ_１，３ｃ_２が形成された圧電セラミクス振動体からなる柱状の振動子１ａと、上記振動子１ａの振動時に発生する節点部を挟持するように上記節点部に接合され、上記振動子１ａの機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２を備え、上記支持部材は、上記振動子１ａの振動方向と略直交する方向に長尺な腕部１２と、該腕部１２の先端に形成された上記振動子との接続部１３を有し、上記腕部１２が交差する上記振動子１ａの駆動電極３ｂ又は検出電極３ｃ_１，３ｃ_２が形成されている部分をテーパー状にトリミングすることにより形成された上記支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２と駆動電極３ｂ又は検出電極３ｃ_１，３ｃ_２との短絡防止部１８を上記振動子１ａの長手方向の端部に有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知や、バーチャルリアリティ装置における動作検知や、カーナビゲーションシステムにおける方向検知等に用いられる角速度センサ及びその製造方法に関する。

従来、民生用の角速度センサとしては、棒状の振動子を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子等で検出することによって角速度を検出する、いわゆる振動ジャイロ型の角速度センサが広く使用されている。

このような角速度センサにおいて、振動子の形状として四角柱状の音片型があり、音片型の支持方法として２つの振動節点を導電性の部材で支持する方法がある。

図２５に従来の角速度センサの支持方法を示す。図２５において、圧電材からなる振動子９６の所定面の幅方向の略中央には長手方向に溝９５が設けられ、前記所定面を９１ａと９１ｂに分割する。導電性がある支持部材４０，４１は接続部４０ａ，４１ａにて振動子９６と機械的且つ電気的に接続される。接続方法としては半田接続や導電性接着剤による接続がある。

このように構成された従来の角速度センサは、支持部材４０と支持部材４１の間に駆動信号を加えることで振動子９６を振動させる。このとき振動子９６が長手方向を軸として回転されるとコリオリ力が発生し振動子９６の面９１ａと面９１ｂに各々コリオリ力に比例した逆の極性の信号が発生する。この信号を支持部材４０より取り出すことで角速度信号を検出することができる。

ここで、支持部材４０及び支持部材４１は振動節点を拘束する機能と、振動子９６が振動する為に、ある程度節点に自由度を与えるという相反する機能を併せ持つ必要がある。支持部材４０及び支持部材４１の拘束が強ければ振動量が減少し角速度の検出感度が低下する。また、逆に、拘束力が弱いと振動の節点の移動が大きく、特性上不安定となり問題となる。

近年のデバイスの小型化に伴い、支持部材４０及び支持部材４１が図２５のような直線状では、自ずと距離が短くなり剛性が上がる為、図２６の支持部材５０及び支持部材５１のように屈曲させ剛性を下げる手法が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

また、支持部材の固定は量産性とコストを考慮しインサートモールドが用いられるが、インサートモールドの製法の都合上、上下の支持部材５０及び支持部材５１は固定位置をずらす必要があり、必然的に上下の支持部材を振動の節点を軸に対称に配置されていた。

特開平１０−３３２３７９号公報

ところで、従来、角速度センサ１００における異なる電極間の絶縁対策は、例えば図２７に示すように、電極１１１，１１２間に跨る形で支持部材１２０を接続し、接続部１３０の両端の電極をレーザー加工等で分断する方法や、図２８及び図２９に示すように、電極上部を横断する支持部材１２０を上方に折り曲げるか、あるいは、下部に絶縁層１４０を設けて電気的にバネと電極が導通しない構造とすることなどにより行われている。

しかしながら、レーザー加工のため、電極および材料にキュリー温度以上の熱が加わってしまうことや、高価な設備、若しくは高価な部材が必要になるといった問題があった。

さらに、振動子を機械的に支持するとともに電気的に接続する支持部材と接触する電極の一部のみを除去しようとする場合、除去する電極の長さは１〜２ｍｍ程度が一般的であるが、砥石の直径が１００ｍｍを主とする現行加工設備では精度良く加工することが難しい。そのため、振動子の溝入れ・切断工程との設備の共通化が図れなかった。

また、圧電素子の駆動検出回路のインピーダンス整合や信号電圧のダイナミックレンジの観点からは、駆動・検出電極に対する入出力電圧バランスで変化・調整できることが望ましい。そのためには、検出電極の面積が駆動電極の面積の５０％以下とする形が望ましいが、検出電極の面積を小さくするために電極幅を狭くすると、振動子を電気・機械的に支持・接続する支持部材の組立性や接続強度が悪化するため、電極長さ方向で調整する形を取らざるを得ない。また、当然のことながら電極と接続する支持部材との位置関係（ノード点）をも考慮しなければならない。

さらに、電極長さ方向で面積を調整するにも、振動子の中央部で電極を分割・削除すると、自励発振させた時の共振抵抗が激増し圧電素子としての動作効率が著しく劣化することから、結果的に、振動子の性能や組立性を損ねてしまう。

そこで、本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、より簡単な構成で量産効果が期待でき、角速度センサとして本質的な特性を左右する振動子の寸法精度を損なうことなく、不要な電極を除去した角速度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明に係る角速度センサは、表面に駆動電極と検出電極が形成された圧電セラミクス振動体からなる柱状の振動子と、上記振動子の振動時に発生する節点部を挟持するように上記節点部に接合され、上記振動子の機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材を備え、上記支持部材は、上記振動子の振動方向と略直交する方向に長尺な腕部と、該腕部の先端に形成された上記振動子との接続部を有し、上記腕部が交差する上記振動子の駆動電極又は検出電極が形成されている部分をテーパー状にトリミングすることにより形成された上記支持部材と駆動電極又は検出電極との短絡防止部を上記振動子の長手方向の端部に有することを特徴とする。

また、本発明に係る角速度センサの製造方法は、表面に駆動電極と検出電極が形成された圧電セラミクス振動体からなる柱状の振動子と、上記振動子の振動時に発生する節点部を挟持するように上記節点部に接合され、上記振動子の機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材を備え、上記支持部材は、上記振動子の振動方向と略直交する方向に長尺な腕部と、該腕部の先端に形成された上記振動子との接続部を有し、上記腕部が交差する上記振動子の駆動電極又は検出電極が形成されている部分をテーパー状にトリミングすることにより形成された上記支持部材と駆動電極又は検出電極との短絡防止部を上記振動子の長手方向の端部に有する角速度センサの製造方法であって、上記振動子を切り出す圧電基板を複数個等間隔に配置し、円盤状の回転砥石を用いて、隣接する圧電基板を跨ぐ状態でダウンカットすることにより、上記腕部が交差する上記振動子の駆動電極又は検出電極が形成されている部分をテーパー状にトリミングすることにより上記短絡防止部を形成することを特徴とする。

本発明によれば、一対の対向する面に電極を配した圧電素子と、同じく一対の対向する面に電極を配した基体素子を積層した振動子において、高価な設備や部材を使用しないで、駆動電極を支持・結合する支持部材と検出電極が電気的に短絡することなく、振動体電極部の信頼性が大幅に向上して、性能や品質を安定的に維持できる角速度センサを提供することができる。

また、集合基板を等間隔で複数個配置して、隣り合う基板間を跨ぐ形で円盤状の加工砥石をダウンカットすることで、通常の溝入れ・切断工程で使用している設備を流用でき、段取り替えや調整時間を削減してタクトタイム短縮が図られる。さらに、多数個取りを考慮した場合、振動子１本に対する切削位置を決める訳ではなく、それよりも寸法の大きい集合基板の幅や配置ピッチ等で位置調整するので、作業性が改善され寸法精度を出し易い。

また、検出電極とその圧電体の長手方向端部をテーパー状にトリミングし、かつ、トリミングされる電極の長さを全長の２０〜５０％にすることで入力電圧に対する出力電圧のバランスと共振抵抗を劣化させることなく、圧電素子の動作効率を調整できる。さらに、トリミング形状をテーパー状にすることによって、かかる振動子が１次モードで自励発振した際の最大変位部である長手方向端部質量が減少することになり、結果的に共振抵抗の低減が図られ、圧電素子の動作効率を向上させることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

図１は本発明を適用した角速度センサ１の外観斜視図であり、また、図２は上記角速度センサ１を使用するための駆動検出回路３０の一例を示すブロック図である。

この実施の形態における角速度センサ１は、図１及び図２に示すように、振動ジャイロとして動作する振動子１ａを備えている。

振動子１ａは、図１に示されるように、基体２と圧電体３とを積層してなり、長手方向に対して垂直な平面で切断したときの断面の形状（以下、単に断面形状と称する）が矩形となる四角柱状に形成されている。

この振動子１ａの基体２は、上記圧電体３の主面と対向する２つの主面２Ａ，２Ｂと該２つの主面２Ａ，２Ｂに連続する少なくとも１つの側面２Ｃに互いに 導通する電極２ａ，２ｂ，２ｃが形成されている。そして、上記電極２ｂ と基準電極３ａが接合されることで上記基準電極３ａと上記電極２ａ，２ｂ，２ｃが導通し、上記基体２と圧電体３が積層された振動子１ａを構成している。なお、上記基体２の全周面に導電性材料をメッキして電極を形成するようにしても良い。また、上記基体２を導電性を有する例えばアモルファスカーボンなどで形成した場合には上記電極２ａ，２ｂ，２ｃを省略することができる。

また、この振動子１ａの圧電体３は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）を主成分とする圧電セラミックスからなり、通常、分極処理により生成されている。圧電体３には、その対向する一方の主面３Ａであって上記基体２と接合される面に基準電極３ａが形成されている。そして、この圧電体３は、その対向する他方の主面３Ｂに、駆動電極３ｂと、この駆動電極３ｂを挟む形で１対の検出電極３ｃ_１，３ｃ_２が、上記振動子１ａの長手方向に沿って互いに平行に分割されて形成されており、駆動電極３ｂの形成されている部分が駆動用の圧電素子３１として機能し、また、検出電極３ｃ_１，３ｃ_２の形成されている部分が検出用の圧電素子３２，３３として機能するようになっている。

ここで、上記振動子１ａの基体２は、未分極のＰＺＴ、あるいは、上記圧電体３を構成する圧電セラミックスの主成分であるＰＺＴと比べて、弾性変形に寄与する物性値が同等以下のＰＺＴ以外の材料、例えばアモルファスカーボンあるいはグラファイトなどのカーボンを主成分とするセラミックス材料からなる。各種材料の物性値の比較結果を図３に示すように、圧電セラミックスの主成分であるＰＺＴはヤング率が１０３ＧＰａで熱膨張係数が３２×１０^−７〜３５×１０^−７であるのに対し、アモルファスカーボンはヤング率が３０〜３３ＧＰａで熱膨張係数が３０×１０^−７であり、また、グラファイトはヤング率が１４ＧＰａで熱膨張係数が３２×１０^−７であり、アモルファスカーボンやグラファイトなどカーボンを主成分とするセラミックス材料は、圧電セラミックスの主成分であるＰＺＴとヤング率と熱膨張係数等の物性値が同等以下の値となっている。

ここで、この実施の形態における角速度センサ１では、上記基体２が導電性を有するアモルファスカーボンにて形成されているものとする。

この角速度センサ１において、圧電体３の厚さは基体２の厚さより薄く、例えば、圧電体３の厚さを０．２ｍｍ、基体２の厚さを０．８ｍｍとしている。

そして、上記４角柱状の振動子１ａは、その振動時に発生する２つの節点部をそれぞれ上下方向から挟持するように上記節点部に接合され、振動時に発生する節点部分が機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２により支持されている。

上記支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２は、例えば洋白、リン青銅、ステンレス等からなり、それぞれ各節点の上側の支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２と下側の支持部材１０Ｂ_１，１０Ｂ_２で上記振動子１ａの長手方向に関して互いに同方向に屈曲された屈曲部１１をそれぞれ途中に含み、上記振動子１ａの上下方向および長手方向に直交する方向に伸びた腕部１２と、該腕部１２に上記振動子１ａとの接続部１３を有する。上側の支持部材１０Ａ_１は、上記振動子１ａの振動の節点において接続部１３が１対の検出電極３ｃ_１，３ｃ_２に導電性接着剤により接合され、また、支持部材１０Ａ_２は、振動子１ａの振動の節点において接続部１３が駆動電極３ｂに導電性接着剤により接合されている。

また、上記駆動電極３ｂに接合させる支持部材１０Ａ_２が検出電極３ｃ_１，３ｃ_２を跨ぐ部分には、上記支持部材１０Ａ_２の腕部１２が検出電極３ｃ_１，３ｃ_２と接触しないように検出電極３ｃ_１，３ｃ_２を部分的にテーパ状に除去した短絡防止部１８が設けてられている。

すなわち、この角速度センサ１は、表面に駆動電極と検出電極が形成された圧電セラミクス振動体からなる柱状の振動子１ａと、上記振動子１ａの振動時に発生する節点部を挟持するように上記節点部に接合され、上記振動子１ａの機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２を備え、上記支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２は、上記振動子１ａの振動方向と略直交する方向に長尺な腕部１２と、該腕部１２の先端に形成された上記振動子１ａとの接続部１３を有し、上記腕部１３が交差する上記振動子１ａの検出電極３ｃ_１，３ｃ_２が形成されている部分をテーパー状にトリミングすることにより形成された上記支持部材と駆動電極又は検出電極との短絡防止部１８を上記振動子１ａの長手方向の端部に有する。

また、下側の支持部材１０Ｂ_１，１０Ｂ_２は、上記振動子１ａの振動の節点において接続部１３がアモルファスカーボンからなる基体２に導電性接着剤により接合されており、上記基体２を介して上記基準電極３ａと導通されている。

ここで、上記支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２、上記支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２が接合され検出電極３ｃ_１，３ｃ_２及び駆動電極３ｂは、それぞれ、少なくとも電気的接続部位の最上層表面が銀若しくは金のコーティング層１６，２６が形成れており、銀粒子を導電フィラーとする導電性接着剤によって接合されることによって、電気的及び機械的に接続されている。

ここで、各種導電フィラーを使用した導電性接着剤の体積抵抗率を図４に示すように、銀粒子を導電フィラーとする導電性接着剤は、体積抵抗率が低い。

そして、各種導電フィラーを使用した導電性接着剤と各種基板との接続抵抗値を図５に示すように、銀粒子や金粒子を導電フィラーとする導電性接着剤は、銀基板、金基板あるいは基板との接続抵抗値が低い。

また、上記腕部１２の先端の接続部１３は、その一部が切欠かれた切欠部１３Ａを有するリング形状や二股形状に形成されている。

このように上記腕部１２の先端の接続部１３は、切欠部１３Ａを有することによって、導電性接着剤が切欠部１３Ａに入り込むことでより高い機械的な接続強度が得られる。すなわち、例えば、図６に示すように、切欠部１３Ａを介して上記接続部１３の両面に亘って連続する状態に塗布された銀粒子を導電フィラーとする導電性接着剤３５によって、上記支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２と検出電極３ｃ_１，３ｃ_２及び駆動電極３ｂとの電気的及び機械的接続の信頼性を高めることができる。

なお、二股状に形成した接続部１３は、二股の間に導電性接着剤３５が入り込み易く、高い機械的な接続強度が得られる。また、振動子１ａの小型化に伴い接続部１３が小型になった場合においても、限られた面積においては、接続部１３は、図７（Ａ）に示すようなリング形よりも図７（Ｂ）に示すような半円形状とした方が内側の円の経を大きくとれるためにより機械的な接続強度が高まる。上記接続部１３は、二股以上に分かれていれば図７（Ｃ）のようなＹ字型や図７（Ｄ）に示すコの字型や図７（Ｅ）に示す三股形状であっても同様な効果が得られる。

この角速度センサ１の圧電体３は、振動駆動機能及びその振動を検出する機能を合わせ持っている。これにより、角速度センサ１は、振動駆動機能により振動しているときに振動子１ａが回転することによって生じたコリオリ力を検出機能により検出する。

すなわち、この角速度センサ１は、上記基体２と圧電体３とを積層して接合なる振動子１ａの上記圧電体３の対向する一方の主面３Ａに設けられている基準電極３ａと他方の主面３Ｂに設けられている駆動電極３ｂとの間に電圧を印加することにより上記振動子１ａを振動させるとともに上記振動子１ａに生じるコリオリ力を圧電体３により検出し、上記他方の主面３Ｂに設けられている検出電極３ｃ_１，３ｃ_２から上記コリオリ力に応じた信号として角速度検出信号を出力する。

この角速度センサ１における振動子１ａは、図２に示すように、支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２を介して駆動検出回路３０と接続される。接続部１３は、この駆動検出回路３０により共振させられる振動子１ａの振動の節点（ノード点）となり、振動子１ａは軸方向の両端を自由端として共振させられる。

この角速度センサ１では、上下の支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２をほぼ同一位置に配置することにより、振動子１ａ周辺部の自由な空間が従来に比較し大幅に増大する。これにより、組立時のハンドリング性、作業性が上がり、製造コストの低減が図れる。また、更なる小型化にも対応可能である。また、増大した空間にチップ部品等の回路部品を配置することが可能となり、デバイスの集積化が容易となる。一方、外部から衝撃が加わった場合、上下の支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２が同一方向に屈曲し対向されて配置されている為、振動の節点に回転モーメントが加わらず、上下の支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２が逆方向に配置された場合と比較し耐衝撃性に優れる。

なお、上部の支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２と下部の支持部材１０Ｂ_１，１０Ｂ_２は、図８に示すように、垂直方向に重なるが、上部の支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２の固定部の形状を拡大することによりインサートモールドへの接続は、問題なく行うことが可能である。また、図９に示すように、上部の支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２を折り曲げ延長して、基板６０に対する接続片１５を支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２に設けることにより、インサートモールド等の部品を使わず直接基板６０上に実装することも可能である。

この角速度センサ１の駆動検出回路３０は、図２に示すように、振動子１ａの検出電極３ｃ_１，３ｃ_２に支持部材１０Ａ_１を介して接続されたインピーダンス変換回路４及び差動増幅回路７と、上記インピーダンス変換回路４に接続された加算回路５と、この加算回路５に接続された発振回路６と、この発振回路６と上記差動増幅回路７に接続された同期検波回路８と、この同期検波回路８に接続された直流増幅回路９からなり、上記発振回路６の出力が支持部材１０Ａ_２を介して駆動電極３ｂに供給されている。また、振動子１ａの基準電極３ａは、アモルファスカーボンからなる基体２に導通されており、支持部材１０Ｂ_１，１０Ｂ_２を介して基準電位３７に接続されている。

この駆動検出回路３０では、振動子１ａとインピーダンス変換回路４と加算回路５と発振回路６で形成される自励発振回路によって、振動子１ａは発振し、駆動片として用いられる駆動用の圧電素子３１の形成面に直交する方向に屈曲振動する。

すなわち、振動子１ａは、発振回路６の発振出力Ｖｇｏが駆動用の圧電素子３１に印加されることによって駆動される。そして、上記振動子１ａの検出用の圧電素子３２の出力Ｖｇｌと圧電素子３３の出力Ｖｇｒがインピーダンス変換回路４を介してＶｚｌとＶｚｒとして加算回路５に入力され、この加算回路５による上記ＶｚｌとＶｚｒの加算出力Ｖｓａが発振回路６に帰還される。

この状態で、振動子１ａの長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、検出用の圧電素子３２と圧電素子３３の間に出力差Ｖｇｌ−Ｖｇｒが生じ、差動増幅回路７から出力Ｖｄａが得られる。このとき、振動子１ａを駆動するための信号は、静止時の検出用の圧電素子３２と圧電素子３３の出力であり、圧電素子３２と圧電素子３３において同相で同じ大きさの信号である。このため、振動子１ａを駆動するための信号は、差動増幅回路７で相殺される。また、コリオリ力に応じた信号は、圧電素子３２と圧電素子３３において逆相で同じ大きさの信号ＶｃｌおよびＶｃｒである。したがって、差動増幅回路７の出力ＶｄａはＶｃｌ−Ｖｃｒに比例した信号となる。

この差動増幅回路７の出力Ｖｄａを同期検波回路８で同期検波することで直流信号Ｖｓｄに変換している。同期検波回路８は差動増幅回路７の出力Ｖｄａを上記発振回路６が駆動信号に同期して出力するクロック信号Ｖｃｋのタイミングで全波整流した後で積分し、直流信号Ｖｓｄを得ている。この信号Ｖｓｄを直流増幅回路９で所定の大きさまで直流増幅することで、回転により生じる角速度信号のみを検出することができる。

ここで、インピーダンス変換回路４は、入力がハイ・インピーダンスＺ２で出力がロー・インピーダンスＺ３となっており、圧電素子３２と圧電素子３３間のインピーダンスＺ１と加算回路５の入力間のインピーダンスＺ４を分離するために用いられている。仮にインピーダンス変換回路４がない場合は、圧電素子３２と圧電素子３３間のインピーダンスＺ１と加算回路５の入力間のインピーダンスＺ４は分離されず、圧電素子３２と圧電素子３３の間に生じた出力差はＺ４／（Ｚ１＋Ｚ４）を掛けた大きさになり、インピーダンス変換回路がある場合に比べて小さくなってしまう。

インピーダンス変換回路４は、入力と出力でのインピーダンスを変換しているだけで信号の大きさには影響を与えないため、圧電素子３２の出力Ｖｇｌとインピーダンス変換回路４の一方の出力Ｖｚｌは同じ大きさとなり、圧電素子３３の出力Ｖｇｒとインピーダンス変換回路４の他方の出力Ｖｚｒは同じ大きさとなる。したがって、加算回路５の出力Ｖｓａでは、コリオリ力に応じた信号は相殺され、静止時の圧電素子３２と圧電素子３３の出力の和となる。この加算回路５と振動子１ａとインピーダンス変換回路４と発振回路６による正帰還ループで発振回路を形成していて、振動子１ａの共振周波数にて自励発振する。

このような駆動検出回路３０の電源に、数百キロヘルツ以上の発振周波数で作られたスイッチング・レギュレータの出力電圧を供給すると、電源ノイズがインピーダンス変換回路４の２つの出力間にも飛込むことで信号ノイズとなる。ここで、インピーダンス変換回路４の２つの出力への電源ノイズの飛込み方に違いがある場合は、２つの出力ＶｚｌとＶｚｒの間にノイズによる電位差が生じることになる。前記信号ノイズを含むインピーダンス変換回路４の２つの出力ＶｚｌとＶｚｒが、加算回路５で加算され、発振回路６を通して振動子１ａに入力される。

当然、発振回路６の出力Ｖｇｏにも前記信号ノイズが乗っているが、振動子１ａはバンド・パス・フィルタと同じ働きをするので、振動子１ａの共振周波数以外の成分は除去される。したがって、この駆動検出回路３０では、圧電素子３２と圧電素子３３の出力からは前記信号ノイズが除去されているので、差動増幅回路７の出力Ｖｄａにも前記信号ノイズが含まれず、電源ノイズの影響を受けない。

また、この実施の形態において、角速度センサ１は、同一面に検出電極３ｃ_１，３ｃ_２と駆動電極３ｂが配されているので、図１０（Ａ）に示すように、基体の母体であるウェハ２０と両面電極メッキを施すことにより各電極を形成した圧電体の母体であるウェハ２５とを積層させてこれらを接着し、図１０（Ｂ）に示すように、四角柱状として個々に切り出すことにより、図１０（Ｃ）に示すように、振動子１ａを製造することができる。このような工程により製造される振動子１ａは、非常に精度が高く、かつ超小型化が可能となる。さらに量産効果も得やすい構造とされる。また、圧電体の接着位置ずれといった問題も解決することができる。また、基体は、上記圧電体と略同様の切削加工性を有していることから、基体のウェハと圧電体のウェハとから上述したように、振動子としての切り出しが容易とされる。

さらに、従来のように、恒弾性金属振動子に圧電素子を接着したり、曲面に電極を印刷するといった難しい工程を設ける必要がなくなる。

なお、この角速度センサ１では、上記圧電体３の対向する一方の主面３Ａに形成された基準電極３ａ と接合される基体２を導電性がある材料で形成したが、絶縁性の基体２に導電性がある材料をメッキして、上記圧電体３の主面３Ａと対向する上記基体２の２つの主面２Ａ，２Ｂと該２つの主面２Ａ，２Ｂに連続する少なくとも１つの側面に上記基準電極３aと導通する電極を形成することによって、圧電体３に効率よく駆動電界を印加することが可能になり、感度向上を図ることが可能になる。

また、当然、小型化に伴って技術的な難しさが増し、精度を確保することが困難になると考えられるが、既にＬＳＩや磁気ヘッド加工などで確立されている微細加工技術を応用することにより、このような問題はクリアできる。従って、高精度の寸法精度が得られるため、振動子の周波数調整も簡略化することが可能になる。

また、自励発振型駆動回路を応用することにより、非常に簡単な回路によって高精度な角速度センサ１を構成することができる。

そして、この角速度センサ１は、自励発振型なので、他励発振型の角速度センサのように温度特性の影響によって感度が低下してしまうようなこともない。

ここで、この角速度センサ１の環境温度の変化に対する感度の変化特性の実測結果を図１１に示す。この図１１において、特性Ａ１は、圧電体３を構成する圧電セラミックスの主成分であるＰＺＴと比べてヤング率と熱膨張係数が同等以下の材料（アモルファスカーボン）にて基体２を構成した角速度センサ１の特性を示し、特性Ｂ１は、基体２をＰＺＴにて構成した場合の特性を示している。

この図１１からも明らかなように、圧電体３を構成する圧電セラミックスの主成分であるＰＺＴと比べてヤング率と熱膨張係数が同等以下の材料（アモルファスカーボン）にて基体２を構成することによって、環境温度の変化の影響を受けにくい振動子１ａを構成することができる。

また、この振動子１ａは、図１２に示す特性Ａ２ように、基体をＰＺＴにて構成した場合の特性Ｂ２と比較して、振動子単体の共振抵抗の温度変化を小さくすることができ、その結果角速度検出感度の温度変化が小さくなり、また、その変化の形態が直線的なので補正を容易に行うことができる。

また、この角速度センサ１における振動子１ａの断面縦横比と離調度の関係を図１３に示す。なお、離調度とは、縦方向の共振周波数と横方向の共振周波数の差であり、離調度が小さい程感度は高くなる。

この図１３において、特性Ａ３は、圧電体３を構成する圧電セラミックスの主成分であるＰＺＴと比べてヤング率と熱膨張係数等の物性値が同等以下の材料（アモルファスカーボン）にて基体２を構成した角速度センサ１の特性を示し、特性Ｂ３は、基体２をＰＺＴにて構成した場合の特性を示している。

この図１３中に特性Ａ３に対し離調度０±２００Ｈｚに対応する振動子１ａの縦横比の範囲を黒枠にて囲んで示してあるように、この角速度センサ１では、振動子１ａの全幅と厚みとの比すなわち断面縦横比を１．０３０〜１．０５５の範囲内とすることによって離調度を０近傍とすることができ、初期状態でこの範囲に抑えることによって離調度を容易に且つ確実に調整することができる。

なお、この角速度センサ１では、同一面に形成された駆動電極３ｂと検出電極３ｃ_１，３ｃ_２の振動子１ａの幅方向の電極寸法Ｗ１，Ｗ２を、図１４に示すように、検出電極３ｃ_１，３ｃ_２と駆動電極３ｂとで異ならしめることによって、検出特性を最適化することができる。すなわち、駆動電極３ｂの形状や寸法を調整することで駆動効率を調整することができ、また、検出電極３ｃ_１，３ｃ_２の形状や寸法を調整することで検出効率を調整が可能になる。

検出電極部両端をテーパー状にトリミングした振動子を用いた上記角速度センサ１において、駆動電極３ｂの幅をＷ１、検出電極３ｃ_１，３ｃ_２の幅をＷ２とし、Ｗ１／Ｗ２を０．８〜４．０の範囲で変えた場合の感度を測定した結果を図１５に示す。

この図１５に示す感度特性から明らかなように、上記角速度センサ１は、Ｗ１とＷ２との比率が１＜Ｗ１/Ｗ２≦４．０の範囲でＷ１/Ｗ２＝１と同等以上の感度を示す。特に、１．８＜Ｗ１/Ｗ２≦３．４の範囲では、Ｗ１/Ｗ２＝１の場合と比較して２倍以上の感度が得られる。但し、Ｗ１／Ｗ２が３以上に大きくなるとそれだけ検出電極幅が小さくなる訳であり、有限の振動子幅内で電極幅の比を変更した際の組立性は大きく悪化する。また、電極面積の減少に伴って検出部のインピーダンスも増加傾向になるため、回路内を流れる信号が必要とするダイナミックレンジも増加し、定電圧電源を前提とした回路構成には不利になる条件となり、Ｗ１／Ｗ２の比を大きくし過ぎることは得策とは言えない。

また、上記角速度センサ１の感度と離調度の関係を図１６に示す。

ここで、離調度とは、縦方向の共振周波数と横方向の共振周波数の差であり、離調度が小さい程感度は高くなる。ＴＹＰＥ１はＷ１/Ｗ２＝１の場合を示しており、ＴＹＰＥ２はＷ１/Ｗ２＝２．６の場合を示している。この図１６から明らかなように、離調度がどの範囲にあっても、Ｗ１/Ｗ２＝１の場合よりもＷ１/Ｗ２＝２．６の場合の方が圧倒的に感度が高い。

さらに、この実施の形態における角速度センサ１において、圧電体３の厚さＴ１は基体２の厚さＴ２より薄く、例えば、圧電体３の厚さＴ１を０．２ｍｍ、基体２の厚さを０．８ｍｍとしているが、上記圧電体３の厚みＴ１と上記振動子１ａの厚みＴ０との比を変えて、振動子１ａの発振周波数及びその駆動回路の移相器の調整許容量を測定したところ、図１７に示すような結果が得られた。上述の如き構造の角速度センサ１では、上記圧電体３の厚みＴ１と上記振動子の厚みＴ０との比を０．１４〜０．２７の範囲内、具体的には、振動子１ａの厚みＴ０が０．９ｍｍ〜１．１ｍｍに対して、圧電体３の厚みＴ１を０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍの構成にすることで、共振抵抗と発振周波数を一定の範囲内に圧縮できるとともに、振動子１ａを自励発振させるための駆動回路のフェイズマージンを確保できる。さらに、振動子１ａの寸法変化に対する周波数変化の度合いを低減できることにより、所定の離調度や発振周波数への調整が容易になる。

以上のように、この実施の形態の角速度センサ１は、上記支持部材１０Ａ_１，１０Ａ_２と検出電極３ｃ_１，３ｃ_２及び駆動電極３ｂの最上層表面に銀若しくは金のメッキを施しており、これらを銀粒子を導電フィラーとする導電性接着剤３５で接着接続してなる。

なお、この実施の形態の角速度センサ１のおいて、母材であるＰＺＴや金属材料との親和性を向上させる為に下地膜としてニッケルや銅等の金属膜を形成し、その上に上記銀や金を成膜してもよい。また、適正な付着力と膜質が得られれば、成膜方法がメッキに限らずスパッタや蒸着等の手法であっても、本質的に問題ないことは言うまでもない。例えば、ＰＺＴ側が下地膜をニッケル１μｍとし、仕上げ膜に銀１μｍをメッキにて処理している。金属バネの材質には１００μｍ厚の洋白を用い、下地膜に銅１μｍ、仕上げ膜に銀１μｍをメッキにて処理している。基体の材質がアモルファスカーボン材の場合は電極３ｂは不要となり、材料表面に直にエポキシ系導電性接着剤３５を塗布して上記仕様の支持部材を接続すればよい。

この実施の形態の角速度センサ１のように、銀粒子を導電フィラーとする導電性接着剤３５に適応した接続構造とすることにより、接着剤と被接着物の電気的親和性が向上して、他の条件下で接続したときよりも接続状態が安定する。特に被接着物の最上層表面を銀でコーティングした場合は、接着剤と被接着物の両方に銀が存在する形となり、化学的に平衡状態となって接点間での物質移動は起こり難くなる。また、熱や水分が作用することで導電性接着剤内銀粒子のマイグレーションが進行しようにも、被接着物表面に存在する銀や金がバリアーになって銀粒子の移動を阻害する。結果的に、導電性接着剤内の銀粒子の移動が起こらない為に一度形成された絶縁破壊状態は維持でき、熱や湿度等の外乱が加わっても同接続部での抵抗変化が起こり難くなる。さらに、元来比抵抗値が小さく、化学的に安定な銀や金でコーティングしているので、接着剤硬化時の酸化や変質が抑制されて、結果的に接続部自体が有する電気抵抗を下げることができる。

また、アモルファスカーボン材は、同材料を製造するためのスタート原材料が芳香族化合物の樹脂であり、特にエポキシ樹脂との親和性は高い。同材料自体が導電性であり緻密構造で化学的にも安定な為、銀や他金属元素とも反応し難く、熱や水分等の外乱が働いても導電性接着剤内の銀粒子の物質移動は起り難い。物質移動が無ければ導電性接着剤内の絶縁破壊状態を維持できるので、結果的に抵抗変化は起こらない。

ここで、実験比較例として、同じ形状で同じ材質の金属バネ２枚を用いて、導電性接着剤を挟む形の試料を作製し、同金属バネ最上層表面の材質のみを変化させた場合の同接続端子部の抵抗変化状況を図１８に示す。また、同様の材質の金属バネを用いて、角速度センサを試作・評価した際の特性変化状態を図１９に示す。

なお、各々のサンプルに対して加えた外乱は、高温高湿試験が８５℃９５％Ｒｈ環境に１２０ｈ保持、リフロー試験がピーク温度２５０℃で２３０℃以上３０秒間キープの温度プロファイルを有する連続炉に試料を２回通すものとする。いずれの評価も試験終了直後ではなく、常温常湿環境中に２４ｈ以上放置してから測定した。図１８に示す通り、金属バネ最上層表面の材質が銀や金の場合は初期抵抗も小さく、高温高湿やリフロー処理といった外乱を加えた後でも抵抗変化は小さい。しかし、同最上層表面の材質がニッケルや洋白の場合は、初期抵抗が小さくとも外乱によって抵抗値が大きく変化し、結果的にデバイスの性能に悪影響を及ぼすことが読み取れる。

ここで、この実施の形態における角速度センサ１は、次のような製造工程（１）〜（７）を経て製造される。

（１）加工定盤貼付
（２）溝入・切断
（３）電極除去
（４）洗浄・リセット
（５）外観検査
（６）支持部材取り付け治具セット
（７）支持部材接着・固定
すなわち、（１）加工定盤貼付工程では、上記振動子１ａを切り出す圧電基板を加工定盤上に複数個等間隔に配置して位置決め固定し、（２）溝入・切断工程後の（３）電極除去工程において、図１９に示すように、円盤状の回転砥石７０を用いて、加工定盤７５上で隣接する圧電基板８０を跨ぐ状態でダウンカットすることにより、上記腕部１２が交差する上記振動子１ａの駆動電極又は検出電極が形成されている部分を上記振動子１ａの長手方向の全長の２０〜５０％の範囲でテーパー状にトリミングして上記短絡防止部１８を形成する。

具体的には、外径Φ１００×幅０．５６の回転砥石７０を回転数８，０００ｒｐｍ、ダウン速度：１００ｍｍ／分で使用し、Ｙ軸方向に３０本程度並んだ振動子（振動子長手方向はＸ軸）の隣り合う振動子の検出電極（幅０．２ｍｍ）に跨る形でダウンカットする。つまり、隣合う接着基板端部（Ｘ軸方向）と隣合う振動子検出電極（Ｙ軸方向）の４箇所を１枚の回転砥石で1回ダウンカットし、それをＹ軸とＸ軸双方について順次ピッチ送りしながら同じ動作を繰返すことにより、上記短絡防止部１８を形成する。

上記短絡防止部１８は、図２０の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、上記振動子１ａの長手方向の片側の端部に形成するだけでなく、図２１の（Ａ）及び（Ｂ）に示すよう上記振動子１ａの長手方向の両側の端部に形成するようにしてもよい。

単に平坦にトリミングして形成した短絡防止部を振動子１ａの長手方向の片側の端部に設けたサンプルＳＡ、テーパー状にトリミングすることにより形成した短絡防止部を振動子１ａの長手方向の片側の端部に設けたサンプルＳＢと、テーパー状にトリミングすることにより形成した短絡防止部を振動子１ａの長手方向の両側の端部に設けたサンプルＳＣについて、縦振動共振抵抗及び横振動共振抵抗を測定したところ、図２２に示すように、サンプルＳＡでは縦振動共振抵抗が２．３５ｋΩで横振動共振抵抗が１３．７３１ｋΩであったのに対し、サンプルＳＢでは縦振動共振抵抗が１．９９８ｋΩで横振動共振抵抗が１２．８１３ｋΩに低下し、さらに、サンプルＳＣでは縦振動共振抵抗が１．９２９ｋΩで横振動共振抵抗が１２．８０５ｋΩまで低下していた。

また、上記振動子１ａの長手方向の全長の１０〜７０％の範囲で上記短絡防止部１８の形成範囲を変えて、検出電極部の共振抵抗及び入出力電圧比（Ｖi／Ｖo）を測定したところ、図２３及び図２４に示すように、上記短絡防止部１８は、上記振動子１ａの長手方向の全長の２０〜５０％の範囲とすることにより、共振抵抗を低下させ、動作効率を向上させることができた。

本発明を適用した角速度センサに備えられる振動子の外観斜視図である。 上記角速度センサを使用するための回路の一例を示すブロック図である。 角速度センサの各種構成材料の物性の比較結果を示す図である。 各種導電性接着剤の体積抵抗率を示す図である。 各種導電性接着剤と各種基板との接続抵抗値を示す図である。 上記角速度センサにおける電極と支持部材との接合構造を示す模式的な断面図である。 上記角速度センサにおける振動子の支持部材の接続部の形状例を示す模式的な平面図である。 上記角速度センサにおける振動子の上面視図である。 上記角速度センサをインサートモールド等の部品を使わずに角速度センサを直接基板上に実装した状態を示す斜視図である。 上記角速度センサの製造方法の一例を示す図である。 上記角速度センサの環境温度の変化に対する感度の変化特性の実測結果を示す図である。 上記角速度センサにおける振動子単体の共振抵抗／センサ感度の温度依存性を示す図である。 上記角速度センサにおける振動子の断面縦横比と離調度の関係を示す図である。 上記角速度センサにおける振動子の断面図である。 上記角速度センサにおける感度と電極幅比の関係を示す図である。 上記角速度センサの感度と離調度の関係を示す図である。 上記角速度センサにおける圧電体の厚みと上記振動子の厚みとの比を変えて、振動子の発振周波数及びその駆動回路の移相器の調整許容量を測定した結果を示す図である。 上記角速度センサにおける電極と支持部材との接合構造における電極と支持部材の最上層表面の材質を変えた場合の抵抗変化状況を示す図である。 角速度センサのような製造工程における電極除去工程でダウンカット加工を模式的に示す図である。 短絡防止部を長手方向の片側の端部に形成した振動子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 短絡防止部を長手方向の両側の端部に形成した振動子振動子を示す図であり、（Ａ）は平面図（Ａ）、（Ｂ）は側面図である。 縦振動共振抵抗及び横振動共振抵抗の測定結果を示す図である。 振動子の長手方向の全長の１０〜７０％の範囲で短絡防止部１８の形成範囲を変えて、検出電極部の共振抵抗を測定した結果を示す図である。 振動子の長手方向の全長の１０〜７０％の範囲で短絡防止部１８の形成範囲を変えて、角速度センサの入出力電圧比（Ｖi／Ｖo）を測定した結果を示す図である。 従来の角速度センサの一例を示す図であり、（ａ）は振動子の部分を示す斜視図であり、（ｂ）は振動子の部分を示す上面視図であり、（ｃ）は振動子の部分を示す底面視図である。 従来の角速度センサの一例を示す図であり、（ａ）は振動子の部分を示す斜視図であり、（ｂ）は振動子の部分を示す上面視図であり、（ｃ）は振動子の部分を示す底面視図である。 従来の角速度センサにおける異なる電極間の絶縁構造を模式的に示す図である。 従来の角速度センサにおける異なる電極間の他の絶縁構造を模式的に示す図である。 従来の角速度センサにおける異なる電極間の他の絶縁構造を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 角速度センサ、１ａ 振動子、２ 基体、２Ａ，２Ｂ 主面、３ 圧電体、３Ａ，３Ｂ 主面、３ａ 基準電極、３ｂ 駆動電極、３ｃ_１，３ｃ_２ 検出電極、４ インピーダンス変換回路、５ 加算回路、６ 発振回路、７ 差動増幅回路、８ 同期検波回路、９ 直流増幅回路、１０Ａ_１，１０Ａ_２，１０Ｂ_１，１０Ｂ_２ 支持部材、１１ 屈曲部、１２ 腕部、１３ 接続部、１３Ａ 切欠部、１５ 接続片、１６，２６ コーティング層、１８ 短絡防止部、２０，２５ ウェハ、３０ 駆動検出回路、３１，３２，３３ 圧電素子、３７ 基準電位、３５ 導電性接着剤

Claims (7)

1. 表面に駆動電極と検出電極が形成された圧電セラミクス振動体からなる柱状の振動子と、
   上記振動子の振動時に発生する節点部を挟持するように上記節点部に接合され、上記振動子の機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材を備え、
   上記支持部材は、上記振動子の振動方向と略直交する方向に長尺な腕部と、該腕部の先端に形成された上記振動子との接続部を有し、
   上記腕部が交差する上記振動子の駆動電極又は検出電極が形成されている部分をテーパー状にトリミングすることにより形成された上記支持部材と駆動電極又は検出電極との短絡防止部を上記振動子の長手方向の端部に有することを特徴とする角速度センサ。
2. 上記短絡防止部は、上記振動子の長手方向の全長の２０〜５０％の範囲で上記振動子の長手方向の端部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 上記支持部材は、各節点の上側の支持部材と下側の支持部材で上記振動子の長手方向に関して互いに同方向に屈曲された屈曲部をそれぞれ途中に含み、上記振動子の上下方向および長手方向に直交する方向に伸びた腕部と、該腕部に上記振動子との接続部を有することを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
4. 上記振動子は基体と圧電体とを積層してなり、
   上記圧電体はＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）を主成分とする圧電セラミクスからなり、上記基体は、上記圧電セラミクスの主成分であるＰＺＴと比べて、ヤング率と熱膨張係数が同等以下の物性値を持つＰＺＴ以外の材料からなることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
5. 上記圧電体の対向する一方の主面であって上記基体と接合される面に形成され、基準電位に接続される基準電極と、
   上記圧電体の対向する他方の主面に上記振動子の長手方向に沿って形成され、上記振動子を振動させるための信号が供給される少なくとも１つの駆動電極と、
   上記圧電体の対向する他方の主面に上記駆動電極を挟む形で互いに平行に形成され、上記振動子に生じるコリオリ力に応じた信号を出力するための少なくとも１対の検出電極とを備え、
   上記振動子の機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材を介して上記駆動電極と上記基準電極との間に電圧を印加して、上記圧電体により上記振動子を振動させるとともに上記振動子に生じるコリオリ力を上記圧電体により検出し、上記検出電極から上記コリオリ力に応じた信号として得られる角速度検出信号を上記振動子の機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材を介して出力することを特徴とする請求項４記載の角速度センサ。
6. 表面に駆動電極と検出電極が形成された圧電セラミクス振動体からなる柱状の振動子と、上記振動子の振動時に発生する節点部を挟持するように上記節点部に接合され、上記振動子の機械的支持及び電気的接続を兼ねる支持部材を備え、上記支持部材は、上記振動子の振動方向と略直交する方向に長尺な腕部と、該腕部の先端に形成された上記振動子との接続部を有し、
   上記腕部が交差する上記振動子の駆動電極又は検出電極が形成されている部分をテーパー状にトリミングすることにより形成された上記支持部材と駆動電極又は検出電極との短絡防止部を上記振動子の長手方向の端部に有する角速度センサの製造方法であって、
   上記振動子を切り出す圧電基板を複数個等間隔に配置し、円盤状の回転砥石を用いて、隣接する圧電基板を跨ぐ状態でダウンカットすることにより、上記腕部が交差する上記振動子の駆動電極又は検出電極が形成されている部分をテーパー状にトリミングすることにより上記短絡防止部を形成することを特徴とする角速度センサの製造方法。
7. 上記短絡防止部は、
   上記振動子の長手方向の全長の２０〜５０％の範囲で上記振動子の長手方向の端部をダウンカットすることにより、上記短絡防止部を形成することを特徴とする請求項６記載の角速度センサの製造方法。

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