JP2007212355A

JP2007212355A - 角速度センサ用圧電振動子

Info

Publication number: JP2007212355A
Application number: JP2006034209A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kimura; 文雄木村
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: JP4921805B2

Abstract

【課題】検出部と該検出部を励振する励振部を備える角速度センサ用圧電振動子において、励振効率と信号検出効率の双方がともに向上可能な構造の角速度センサ用圧電振動子を提供する。
【解決手段】本発明の角速度センサ用圧電振動子は、回転中心軸周りに回転する回転運動の角速度をコリオリ力に応じた圧電効果により検出する検出部と、前記回転中心軸と交差する捻れ中心軸周りに捻れ振動モードで振動し、所定の捻れ変位が生じる第１の部位に前記検出部を連設し、前記捻れ振動により前記検出部を励振する励振部とを有し、圧電基板と該圧電基板の表面部に設けられた電極とからなり、また、前記励振部の前記捻れ振動において前記振動の節となる第２の部位に連設し、前記励振部を支持する支持部を有することを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラ、ナビゲーションシステムさらには自動車、航空機などに搭載され、物体の回転に伴う角速度を検出する角速度センサ用圧電振動子に関する。

従来、物体の回転に伴う角速度を計測するセンサとして、振動する物体に対して、その振動方向と回転軸ベクトルの双方に垂直な方向に生じるコリオリ力を検出する方式、すなわち振動ジャイロ方式を用いた角速度センサが知られている。この振動ジャイロ方式においては、検出されたコリオリ力の大きさが測定すべき角速度に比例する原理を利用している。近年、デジタルカメラ、ナビゲーションシステム、自動車及び航空機等に広く応用されている角速度センサは、圧電セラミックス（ＰＺＴ）用いたＰＺＴ型角速度センサである。

前述の様な応用拡大に伴って、高感度、小型、低消費電力対応等も強く求められる様になってきており、前述のＰＺＴ型角速度センサは、その材料特性から小型化、低消費電力化は困難であり、あらたな角速度センサとして、水晶を用いた角速度センサが注目されている。水晶は、ＰＺＴとは違って圧電単結晶であり、その材料的な特性に由来する高い振動の安定性（高Ｑ値、良好な温度特性）、低消費電力特性フォトリソ加工の容易性から、高安定、低消費電力及び小型の無線機の基準信号源、クロック源の発振素子として広く認知されている。この大きな特徴を持つ水晶を角速度センサに応用する試みが、近年盛んに行われてきた（例えば、特許文献１参照。）。しかし、十分な感度と消費電力対応をもった水晶角速度センサは実現に至っていない。
特開昭６１−２５８１１０号公報

従来の水晶角速度センサの問題点を以下で説明する。図１１は、従来の水晶角速度センサの概略図であって、音叉型形状をした振動子９０１の二本の腕部すなわち、腕９０２及び腕９０３が形成されている。この二本の腕９０２と腕９０３は、それぞれ図中に示しているような、横屈曲振動が励振される。すなわち、腕９０２においては横屈曲振動９０４、腕９０３においては横屈曲振動９０５が励振される。

この両者の横屈曲振動を励振させる電極が、腕９０２においては、主面電極９０６と側面電極９０７、腕９０３においては主面電極９０８と側面電極９０９である。以上の励振電極構造と極性及び横屈曲振動励振の励振原理は、音叉型振動子の励振原理と全く同じであるのでここでは述べない。この振動子９０１に印加される回転運動の回転軸が図中の腕部と平行な回転軸９１０であり、この回転運動を決定する角速度が角速度９１１である。
この回転運動が振動子９０１に印加されると横屈曲振動を行っている腕部９０２と腕部９０３にコリオリ力が作用して、腕部の横屈曲振動と回転軸の双方に対して垂直な方向に厚み屈曲振動が生じる。この厚み屈曲振動が、腕部９０２にては厚み屈曲振動９１２、腕部９０３にては厚み屈曲振動９１３である。この厚み屈曲振動９１２と厚み屈曲振動９１３は、互いに位相が反転している事をのぞいて、その周波数及び振幅は互いに等しい事は言うまでもない。

さらにこの両者の周波数は、前述の横屈曲振動の周波数と等しい事も言うまでもない。この厚み屈曲振動の振動振幅が角速度９１０に比例している。それゆえ、該振幅を検出することで、目的とする角速度を検出できる事になる。この厚み屈曲振動の振動振幅を検出するための電極が、図１１記載の検出電極である。すなわち、腕部９０２においては検出電極９１４及び検出電極９１５、腕部９０３においては検出電極９１６及び検出電極９１７である。これらの検出電極の極性及び検出原理に関しては、水晶の持つ圧電テンソルの異方性から説明できるが省略する。

この図１１記載の従来型の水晶ジャイロセンサの特徴は、励振モードである横屈曲振動励振用の励振電極、主面電極９０６、側面電極９０７、主面電極９０８及び側面電極９０９、検出モードの厚み屈曲振動検出用の検出電極、検出電極９１４、検出電極９１５、検出電極９１６及び検出電極９１７がそれぞれ同一の腕部に形成されている点である。言い換えれば、図１１記載の二本の腕すなわち、腕部９０２と腕部９０３が励振部と信号検出部の両方の機能を持っている点である。

本来、水晶振動子の電気的振動の励振及び検出は、圧電効果を介在した歪と電荷の相互作用によってなされる。該励振と検出効率は、この歪と電荷が相互作用する面積に比例して向上する。すなわち、励振電極及び検出電極面積が大きいほど効率が向上する事にほかならない。それに対して、図１１記載の従来型の水晶角速度センサの構造は、腕部にて励振部と信号検出部の双方が存在するために、励振用電極、信号検出用電極の双方が十分な大きさを確保する事ができず、励振効率及び信号検出効率双方ともに不十分なものとなっていた。

以上が、前述した十分な感度と消費電力対応をもった水晶角速度センサは実現に至っていない理由であり、産業上おおきな問題となっていた。すなわち、本発明に係る水晶角速度センサが解決すべき課題は、この励振効率と信号検出効率の向上である。励振効率と信号検出効率の双方を向上させる事が、感度向上と低消費電力化を同時に実現させる事になる。

本発明に係る角速度センサ用圧電振動子は、回転中心軸周りに回転する回転運動の角速度をコリオリ力に応じた圧電効果により検出する検出部と、前記回転中心軸と交差する捻れ中心軸周りに捻れ振動モードで振動し、所定の捻れ変位が生じる第１の部位に前記検出部を連設し、前記捻れ振動により前記検出部を励振する励振部とを有し、圧電基板と該圧電基板の表面部に設けられた電極とからなることを特徴とするものである。
また、前記励振部の前記捻れ振動において前記振動の節となる第２の部位に連設し、前記励振部を支持する支持部を有することを特徴とするものである。

本発明の角速度センサ用圧電振動子は、従来型の水晶角速度センサのように、腕部に励振電極と検出電極を共存させる必要がなくなるので、励振効率と信号検出効率を同時に向上させる事が可能となる。

まず、本発明に係る水晶角速度センサの構造について説明する。

図１は、本発明に係る水晶角速度センサの励振と検出の原理を説明する図である。振動子１００の励振部１０１に形成された励振電極によって、該励振部１０１は捩れ振動を誘発する。このとき、励振電極の配置と極性によって、振動子１００の両端部、すなわち端部１０２と端部１０３の部分で、該捩れ振動は最大変位を持っている。この両端部より、４本の検出用腕部が設けられている。

すなわち、端部１０２においては検出腕部１０４と検出腕部１０５の二本、端部１０３においては検出腕部１０６と検出腕１０７の二本である。さらに、この検出腕部の捩じり回転振動の中心軸が捩れ中心軸１０８である。この捩れ中心軸１０８を中心として、これら４本の検出腕部は、励振部１０１で誘発される捩れ振動によって捩じり回転振動をする。この捩れ運度の捩れ変位は、端部１０２と端部１０３で大きさは同じで、方向はたがいに逆になっている。すなわち、検出腕部１０４では捩れ変位１０９、検出腕部１０５では捩れ変位１１０、さらに、検出腕部１０６では捩れ変位１１１、検出腕部１０７では捩れ変位１１２となっている。

励振部１０１にて誘発される捩れ振動は、該励振部１０１の中央部で捩れ変位はゼロとなる。この捩れ変位がゼロとなる中央部より二対の支持腕と二対の支持部、すなわち支持腕１１３、支持腕１１４、支持部１１５及び支持部１１６である。それゆえ、該支持腕１１４及び該支持部１１５にて振動子１００を支持する事によって、励振部１０１にて励振される捩れ振動の支持による機械的損失は抑制される。

この振動子１００に印加される回転運動の回転軸が図中の支持腕１１３、支持腕１１４の中心部を平行に走る回転中心軸１１７であり、この回転運動を決定する角速度が角速度１１８である。この回転運動が振動子１００に印加されると、捩じり回転振動を行っている検出腕部１０４、検出腕部１０５、検出腕部１０６及び検出腕１０７の４本の検出腕部にコリオリ力が作用して、検出腕部の捩じり回転振動と回転中心軸の双方に対して垂直な方向に横屈曲振動が生じる。

すなわち、捩れ変位１０９に対しては横屈曲変位１１９、捩れ変位１１０に対しては横屈曲変位１２０、捩れ変位１１１に対しては横屈曲変位１２１、捩れ変位１１２に対しては横屈曲変位１２２であるような横屈曲振動である。該横屈曲振動から圧電効果を介在して、電荷が検出腕部に誘発される。この電荷を電圧として検出する事で角速度が測定できる。この電荷は該検出腕部全体に分布している。

この時、図１記載の基本構造を採用すれば、検出腕部全体に検出電極が形成できるので、該誘発電荷は、効率よく検出され、電圧として検出できる。すなわち、検出効率が向上する。それに対して励振部１０２においては、捻れ振動を誘発させる励振電極を、該励振部ほぼ全面に形成する事が可能であり、その結果、励振効率も向上する。以上図１記載の本発明に係る水晶角速度センサの構造においては、励振部と検出部が分離されている事で、励振効率と検出効率を同時に向上させる事が実現できる事になる。

図２は、本発明に係る第二の水晶角速度センサの励振と検出の原理を説明する図である。振動子２００の励振部２０１に形成された励振電極によって、該励振部２０１は捩れ振動を誘発する。このとき、励振電極の配置と極性によって、振動子２００の両端部、すなわち端部２０２と端部２０３の部分で、該捩れ振動の変位はゼロである。この両端部より、二個の支持部が設けられている。すなわち、端部２０２においては支持部２０４、端部２０３においては支持部２０５である。該支持部２０４及び該支持部２０５にて振動子２００を支持する事によって、励振部２０１にて励振される捩れ振動の支持による機械的損失は抑制される。この捩れ振動の振動変位が最大となる部位は、該励振部２０１の中心部であって、この中心部より二本の検出用腕が設けられている。すなわち、検出腕部２０６と検出腕部２０７の二本である。

これら２本の検出腕部は、励振部２０１で誘発される捩れ振動によって捩じり回転振動をする。この捩れ運度の捩れ変位は、検出腕部２０６と検出腕部２０７で大きさは同じで、方向はたがいに逆になっている。すなわち、検出腕部２０６では捩れ変位２０８、検出腕部２０７では捩れ変位２０９となっている。この振動子２００に印加される回転運動の回転軸が図中の検出腕部２０６、検出腕部２０７の中心部を平行に走る回転中心軸２１０であり、この回転運動を決定する角速度が角速度２１１である。この回転運動が振動子２００に印加されると、捩じり回転振動を行っている検出腕部２０６、検出腕部２０７の２本の検出腕部にコリオリ力が作用して、検出腕部の捩じり回転振動と回転中心軸の双方に対して垂直な方向に横屈曲振動が生じる。

すなわち、捩れ変位２０８に対しては横屈曲変位２１２、捩れ変位２０９に対しては横屈曲変位２１３であるような横屈曲振動である。この横屈曲振動の振動振幅を各腕部において配置された検出電極によって検出する事で回転の角速度が測定できる。図２記載の構造においても、図１と同様に検出腕部にて発生するコリオリ力によって誘発した電荷を検出するための検出電極を、該検出部全体に形成する事ができるので検出効率が向上すると共に、励振部全面に励振電極を形成する事によって、励振効率も向上させる事ができる。すなわち、励振効率と検出効率を同時に向上させる事が実現できる事になる。

図３は、本発明に係る水晶角速度センサを用いた、角速度と検出腕部より検出される出力電圧の相関関係を示す特性図である。図において、横軸は角速度、縦軸はコリオリ力によって検出される出力電圧である。図中の●点が、図１にて示した本発明に係る水晶角速度センサ構造を用いた出力電圧の測定値である。さらに▲点は図１１記載の従来型の水晶角速度センサを用いた出力電圧の測定値である。両者共に、出力電圧は、角速度に対して直線的比例関係にある。すなわち、本発明に係る水晶角速度センサに対応する直線が特性直線３０１であり、従来の水晶角速度センサに対応する直線が特性直線３０２である。このとき、特性直線の勾配、すなわち、単位角速度あたりの出力電圧の大きさが角速度の検出感度をとなる。さらに、検出感度が大きいという事は、この特性直線の傾きが大きい事を意味している。

以上の観点を踏まえて、特性直線３０１と特性直線３０２を比較すると、明白に特性直線３０１の勾配は、特性直線３０２の勾配に比較して、大きな値を持っている事が判明する。この事は、特性直線３０１が、特性直線３０２に比較して角速度の検出感度が大きい事を意味している。すなわち、本発明に係る水晶角速度センサの構造を採用すれば、検出感度が向上する事を意味している。

図４は、本発明に係る水晶角速度センサの励振モードである捩れ振動の等価抵抗値と図１１記載の従来型の水晶角速度センサの励振モードである横屈曲振動の等価抵抗値の出現頻度分布を示すヒストグラム図である。図４において、横軸は励振モードの等価抵抗値であって、原点に近いほうが小さく、原点から離れるに従って大きくなる。また縦軸は、等価抵抗値の出現頻度である。本発明に係る水晶角速度センサに対応する等価抵抗値の出現頻度が分布４０１であり、従来の水晶角速度センサに対応する等価抵抗値の出現頻度が分布４０２である。この図記載の等価抵抗値は、水晶を含む圧電振動子の励振効率を決定する指標であって、この抵抗値が低いほど励振効率が向上し、駆動時の消費電力が低減できる事を意味している。

以上の観点を踏まえて、分布４０１と分布４０２を比較すると、明白に分布４０１は、分布４０２よりも小さい値を持っているので、本発明に係る水晶角速度センサの励振モードの等価抵抗は、図１１記載の従来の水晶加速度センサの励振モードに比較して小さい値を持っている事になる。すなわち、本発明に係る水晶角速度センサは、従来の水晶角速度センサに比較して励振効率が向上し、その結果、励振時の消費電力が低減できる事を意味している。以上の図３及び図４から、本発明に係る本発明に係る水晶角速度センサの構造を採用する事によって、従来の水晶角速度センサでは実現できなかった、励振効率と検出効率を同時に向上させる事が実現できる。なお、図３及図４は、図１の構造を基にした特性図であるが、第二の構造図である図２を基にした特性においても同様な結果が得られる事は言うまでもない。

本発明に係る水晶角速度センサの構造においては、励振モードは捻れ振動、検出モードは横屈曲振動である。それゆえ、水晶単結晶切り出し方位、すなわちカット方位は、圧電的に捻れ振動モードと横屈曲振動モードの両方を同時に励振可能な方位が必要である。水晶単結晶の圧電的異方性を考慮すると、捻れ振動と横屈曲振動を同時に励振させる方位は、数多くある事が判明している。どのようなカット方位を選択するかは、大きさ、励周波数及び温度特性等を考慮して決定されるべきであるが、この事項は単なる設計的事項にすぎない。

次に、図５は図１記載の本発明に係る水晶角速度センサのカット方位の一例を示す図である。図記載の水晶単結晶の３方位軸、すなわちＸ_１軸、Ｙ_１軸及びＺ_１軸の座標系において、本発明に係る水晶角速度センサの振動子１００のカット方位は、二個の回転角度によって規定されている。すなわち、回転角度５０１と回転角度５０２である。第一の回転角度５０２は、該振動子１００が形成される水晶薄板５０３のカット方位を決定する回転角度であって、図中のＸ_１軸を回転中心として、反時計回りの回転角度で定義されている。

また、第二の回転角度５０２は、該振動子１００の水晶薄板５０３の面内での方位を決定する回転角度であって、先の第一の回転角度５０１によって規定された新たなＺ_２軸を回転中心に時計回りの回転角度として定義されている。ここで回転角度５０１の大きさをθ、回転角度５０２の大きさをφとすると、０＜θ＜５０°、及び−４５°＜φ＜＋４５°である。この角度範囲は、捻れ振動モードと横屈曲振動モードの両方を同時に励振可能な代表的な角度範囲であって、振動子１００は機械加工にて切り出された水晶薄板５０３をエッチング加工によって電極と共に一体形成可能な角度範囲でもあるが他の方位設定も存在する事はいうまでもない。

図６は図２記載の本発明に係る水晶角速度センサのカット方位の一例を示す図である。図記載の水晶単結晶の３方位軸、すなわちＸ_１軸、Ｙ_１軸及びＺ_１軸の座標系において、本発明に係る水晶角速度センサの振動子２００のカット方位は、二個の回転角度によって規定されている。すなわち、回転角度６０１と回転角度６０２である。第一の回転角度６０１は、該振動子２００が形成される水晶薄板６０３のカット方位を決定する回転角度であって、図中のＸ_１軸を回転中心として、反時計回りの回転角度で定義されている。
また、第二の回転角度６０２は、該振動子２００の水晶薄板６０３の面内での方位を決定する回転角度であって、先の第一の回転角度６０１によって規定された新たなＺ_２軸を回転中心に時計回りの回転角度として定義されている。ここで回転角度６０１の大きさをα、回転角度６０２の大きさをβとすると、０＜α＜５０°、及び−４５°＜β＜＋４５°である。この角度範囲は、捻れ振動モードと横屈曲振動モードの両方を同時に励振可能な代表的な角度範囲であって、振動子２００は機械加工にて切り出された水晶薄板６０３をエッチング加工によって電極と共に一体形成可能な角度範囲でもあるが、他の方位設定も存在する事はいうまでもない。

図７及び図８は本発明に係る水晶角速度センサの電極構造を示す図であって、図１及び図５記載の振動子１００を基にした電極図である。図７は、表面の電極構造全体の外観図、図８は裏面の電極構造外観図である。
まず最初に、励振電極の構成について説明する。励振部１０１の表裏には、６種類の励振電極が形成されている。すなわち、表面における励振電極７０１、励振電極７０２及び励振電極７０３の３個、裏面における励振電極７０４、励振電極７０５及び励振電極７０６の３個である。これら六個の励振電極において、励振電極７０１と同極な励振電極は、裏面の励振電極７０５と励振電極７０６であり、異極な電極は表面の励振電極７０２、励振電極７０３、裏面の励振電極７０４である。

図７の表面の電極外観図において、励振電極７０１は支持腕１１３表面のリード電極を介在して、支持部１１５の励振バイアス電極７０７に接続されている。また、励振電極７０２は支持腕１１３表面のリード電極を介在して、支持部１１５の励振バイアス電極７０８に接続、励振電極７０３は、支持腕１１４表面のリード電極を介在して支持部１１６の励振バイアス電極７０９と接続されている。

図８の裏面の電極外観図において、励振電極７０４は支持腕１１３表面のリード電極を介在して、支持部１１５の励振バイアス電極７１０に接続されている。また、励振電極７０５は支持腕１１３表面のリード電極を介在して、支持部１１５の励振バイアス電極７１１に接続、励振電極７０６は、支持腕１１４表面のリード電極を介在して支持部１１６の励振バイアス電極７１２と接続されている。

図７の支持部１１５に形成された励振バイアス電極７１３は、図８の支持部１１５の励振電極７１０と支持部１１５の側面リード電極を介在して接続されている。さらに、支持部１１５に形成された励振バイアス電極７０８は、図８の支持部１１５の励振電極７１１と支持部１１５の側面リード電極を介在して接続されている。一方、支持部１１６の励振バイアス電極７０９は、図８の支持部１１６の励振バイアス電極７１２と支持部１１６に形成された側面リード電極を介在して接続されている。

図１、図７及び図８記載の本発明に係る水晶角速度センサの励振モードである捻れ振動は、以上の様な励振電極及びバイアス電極の構成によって励振される。ちなみに、図７における励振バイアス電極７０７と励振バイアス電極７１３は同極であるが、振動子１００上では接続されていない、同様に励振バイアス電極７０８と励振バイアス電極７０９も同極であるが振動子１００上では接続されていない。それゆえ、実際に励振時において外部励振回路に接続する際には、振動子１００外部で接続させる必要がある。以上が図１、図５、図７及び図８記載の本発明に係る水晶角速度センサの励振電極構造に関する説明である。

次に、検出電極の構成について説明する。図７、図８記載の４本の検出腕部すなわち、検出腕部１０４、検出腕部１０５、検出腕部１０６及び検出腕部１０７には、コリオリ力検出用の検出電極が形成されている。すなわち、検出腕部１０４と検出腕部１０５の表裏には、検出電極７１４及び検出電極７１５、検出腕部１０６と検出腕部１０７の表裏には、検出電極７１６及び検出電極７１７が形成されている。これらの検出電極の極性およびその構成は、通常の音叉型水晶振動子の電極構成と全く同一である。

検出電極７１４は、検出腕部１０４にては表裏共に主面上に配置されると同時に、検出腕部１０５にては、表裏共に側面部に配置されている。検出電極７１５は、検出腕部１０５にては表裏共に主面上に配置されと同時に、検出腕部１０４にては、表裏共に側面部に配置されている。この配置を実現する為に、側面リード電極７１８と側面リード電極７１９が、検出腕部１０４と検出腕部１０５の中間側面部に形成されている。

検出電極７１６は、検出腕部１０６にては表裏共に主面上に配置されると同時に、検出腕部１０７にては、表裏共に側面部に配置されている。検出電極７１７は、検出腕部１０７にては表裏共に主面上に配置されと同時に、検出腕部１０６にては、表裏共に側面部に配置されている。この配置を実現する為に、側面リード電極７２０と側面リード電極７２１が、検出腕部１０６と検出腕部１０７の中間側面部に形成されている。

検出電極７１４は、検出腕部１０５の側面部、励振部１０１に形成された側面電極７２２及び支持腕１１４の側面に形成された側面電極７２３を介在して、支持部１１６の検出ターミナル電極７２４に接続されている。また、検出電極７１５は、検出腕部１０４の側面部、励振部１０１に形成された側面電極７２５及び支持腕１１３の側面に形成された側面電極７２６を介在して、支持部１１５の検出ターミナル電極７２７に接続されている。

検出電極７１６は、検出腕部１０７の側面部、励振部１０１に形成された側面電極７２８、及び支持腕１１４の側面に形成された側面電極７２９を介在して、支持部１１６の検出ターミナル電極７３０に接続されている。また、検出電極７１７は、検出腕部１０６の側面部、励振部１０１に形成された側面電極７３１及び支持腕１１３の側面に形成された側面電極７３２を介在して、支持部１１５の検出ターミナル電極７３３に接続されている。
これら、検出ターミナル電極７２４、検出ターミナル電極７２７、検出ターミナル電極７３０及び検出ターミナル電極７３３が外部角速度検出回路と接続される。以上が図１、図５、図７及び図８記載の本発明に係る水晶角速度センサの励振電極構造に関する説明である。また、図７及び図８記載の電極構造は、同じくフォトリソ工程を用いて形成されている事はいうまでもない。

図９、図１０は本発明に係る第二の水晶角速度センサの電極構造を示す図であって、図２及び図６記載の振動子２００を基にした電極図である。図９は、表面の電極構造全体の外観図、図１０は裏面の電極構造外観図である。
まず最初に、励振電極の構成について説明する。励振部２０１の表裏には、４種類の励振電極が形成されている。すなわち、表面における励振電極８０１、励振電極８０２の２個、裏面における励振電極８０３、励振電極８０４の２個である。これら４個の励振電極において、励振電極８０１と同極な励振電極は、裏面の励振電極８０３であり、異極な電極は表面の励振電極８０２、裏面の励振電極８０４である。

図９の表面の電極外観図において、励振電極８０１はリード電極８０５を介在して、支持部２０５の励振バイアス電極８０６に接続されている。また、励振電極８０２はリード電極８０７を介在して、支持部２０５の励振バイアス電極８０８に接続している。
図１０の裏面の電極外観図において、励振電極８０３はリード電極８０９を介在して、支持部２０５の励振バイアス電極８１０に接続されている。また、励振電極８０４はリード電極８１１を介在して、支持部２０５の励振バイアス電極８１２に接続している。

図９の支持部２０５に形成された励振バイアス電極８１３は、図１０の支持部２０５の励振バイアス電極８１２と支持部２０５の側面リード電極８１４を介在して接続されている。さらに、支持部２０５に形成された励振バイアス電極８１５は、図１０の支持部２０５の励振バイアス電極８１０と側面リード電極８１６を介在して接続されている。

図２、図９及び図１０記載の本発明に係る水晶角速度センサの励振モードである捻れ振動は、以上の様な励振電極及びバイアス電極の構成によって励振される。ちなみに、図９における励振バイアス電極８０６と励振バイアス電極８１６は同極であるが、振動子２００上では接続されていない、同様に励振バイアス電極８０８と励振バイアス電極８１４も同極であるが振動子２００上では接続されていない。それゆえ、実際に励振時においては、外部励振回路に接続する際には、振動子２００外部で接続させる必要がある。以上が図２、図６、図９及び図１０記載の本発明に係る水晶角速度センサの励振電極構造に関する説明である。

次に、検出電極の構成について説明する。図９、図１０記載の２本の検出腕部、すなわち検出腕部２０６、検出腕部２０７には、コリオリ力検出用の検出電極が形成されている。すなわち、検出腕部２０６の表面にては、側面検出電極８１７及び表主面検出電極８１８、裏面にては側面検出電極８１７及び裏主面検出電極８１９、検出腕部２０７の表面にては側面検出電極８２０及び表主面検出電極８２１、裏面にては、側面検出電極８２０及び裏主面電極８２２である。

検出腕部２０６の表主面電極８１８はリード電極８２３を介在して検出ターミナル電極２４に接続されている。この検出ターミナル電極２４は支持部２０４の側面電極８２５を介在して、裏面の検出ターミナル電極８２６に接続されている。さらにこの検出ターミナル電極８２６はリード電極８２７を介在して、裏主面電極８１９と接続されている。同様に、検出腕部２０７の表主面電極８２１はリード電極８２８を介在して検出ターミナル電極８２９に接続されている。この検出ターミナル電極２９は支持部２０４の側面電極８３０を介在して、裏面の検出ターミナル電極８３１に接続されている。さらにこの検出ターミナル電極８３１はリード電極８３２を介在して、裏主面電極８２２と接続されている。

検出腕部２０６の検出側面電極８１７は、励振部側面電極８３３を介在して検出ターミナル電極８３４に接続されている。また、検出腕部２０７の検出側面電極８２０は励振部側面電極８３５を介在して検出ターミナル電極８３６と接続されている。以上が図２、図６、図９及び図１０の本発明に係る水晶角速度センサの検出電極構造に関する説明である。また、図９及び図１０記載の電極構造は、図７及び図８記載の電極構造と同じくフォトリソ工程を用いて形成されている事はいうまでもない。

この図７、図８、図９及び図１０記載の水晶角速度センサは、捻れ振動が最大変位を有する励振部位に腕を設けるとともに、該腕部を回転に伴う角速度検出のための検出部とする事で、該励振部には励振電極のみ、さらに該腕部には検出電極のみ形成される構造である。それゆえ音叉腕部に励振電極と検出電極が同時に形成されている図１１記載の従来の水晶角速度センサと比較して、図３及び図４にて示したように励振効率と角速度検出効率を同時に向上させる事が可能なのである。

本発明に係る角速度センサ用圧電振動子の励振と検出の原理を説明する図本発明に係る第二の角速度センサ用圧電振動子の励振と検出の原理を説明する図本発明に係る角速度センサ用圧電振動子を用いた、角速度と検出腕部より検出される出力電圧の相関関係を示す特性図本発明に係る角速度センサ用圧電振動子の励振モードである捩れ振動の等価抵抗値の分布図本発明に係る角速度センサ用圧電振動子のカット方位の一例を示す図本発明に係る角速度センサ用圧電振動子のカット方位の他の一例を示す図本発明に係る角速度センサ用圧電振動子の電極構造を示す表面図本発明に係る角速度センサ用圧電振動子の電極構造を示す裏面図本発明に係る第二の角速度センサ用圧電振動子の電極構造を示す表面図本発明に係る第二の角速度センサ用圧電振動子の電極構造を示す裏面図従来の水晶角速度センサの概略図

符号の説明

１００：振動子
１０１：励振部
１０２：端部
１０３：端部
１０４：検出腕部
１０５：検出腕部
１０６：検出腕部
１０７：検出腕部
１０８：捻れ中心軸
１０９：捻れ変位
１１０：捻れ変位
１１１：捻れ変位
１１２：捻れ変位
１１３：支持腕
１１４：支持腕
１１５：支持部
１１６：支持部
１１７：回転中心軸
１１８：角速度
１１９：横屈曲変位
１２０：横屈曲変位
１２１：横屈曲変位
１２２：横屈曲変位

Claims

回転中心軸周りに回転する回転運動の角速度をコリオリ力に応じた圧電効果により検出する検出部と、
前記回転中心軸と交差する捻れ中心軸周りに捻れ振動モードで振動し、所定の捻れ変位が生じる第１の部位に前記検出部を連設し、前記捻れ振動により前記検出部を励振する励振部とを有し、
圧電基板と該圧電基板の表面部に設けられた電極とからなることを特徴とする角速度センサ用圧電振動子。
前記励振部の前記捻れ振動において前記振動の節となる第２の部位に連設し、前記励振部を支持する支持部を有することを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ用圧電振動子。
前記検出部は、長手方向が前記回転中心軸と同一方向になるように設けられ、しかも前記回転運動にともなって横屈曲振動が生じるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の角速度センサ用圧電振動子。
前記励振部の前記第１の部位が前記回転中心軸上に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の角速度センサ用圧電振動子。
前記励振部の前記第２の部位が前記回転中心軸上に設けられていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の角速度センサ用圧電振動子。
前記励振部は、前記検出部と連設する前記第１の部位が前記励振部の中央部になり、また前記支持部と連設する前記第２の部位が前記励振部の対向する両端部になるように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ用圧電振動子。
前記励振部は、前記支持部と連設する前記第２の部位が前記励振部の中央部になり、また前記検出部と連設する前記第１の部位が前記励振部の対向する両端部になるように設けら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用圧電振動子。
前記検出部は、前記回転中心軸及び前記捻れ中心軸のうち、少なくともいずれかに対して対称に配置された複数の枝状構造からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の角速度センサ用圧電振動子。
前記圧電基板は、水晶基板であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の角速度センサ用圧電振動子。