JP2009128020A - 音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】 電単結晶振動子の小型化を実現しつつ、低コストで高感度な音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロを提供すること。
【解決手段】 音叉型圧電単結晶振動子２は、振動部である第１の振動アーム３１ａと第２の振動アーム３１ｂとこれら振動アームを支える基台３２から構成される。検出電極３３ａは第１の振動アーム３１ａの外側に設けられた検出電極と第２の振動アーム３１ｂの中央に設けられた検出電極が音叉型圧電単結晶振動子２上で電気的に接続される。また、同様に検出電極３３ｂは第２の振動アーム３１ｂの外側に設けられた検出電極と第１の振動アーム３１ａの中央に設けられた検出電極が音叉型圧電単結晶振動子２上で電気的に接続される。この検出電極３３ａ、３３ｂで検出した出力信号に基づいて角速度を検出する。
【選択図】 図１

Description

発明は、音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロに関するものである。

圧電振動子は、センサ、発振器、表面弾性波フィルタ、超音波モータ、音響素子、トランスなど、幅広い分野に用いられている。圧電振動子に用いられる圧電材料には様々な材料がある。これらの圧電材料の中でも、圧電単結晶材料は、一般に機械的品質係数が高い、温度特性が小さい、材料が均一で信頼性が高い、材料の量産がしやすい等の特徴があるので、センサ、発振器、表面弾性波フィルタ等の電子部品向けの振動子としてよく用いられている。

圧電単結晶振動子を用いたセンサの応用例として圧電振動ジャイロが挙げられる。振動ジャイロは、速度を持つ物体に回転角速度を与えた時にその物体自身の速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。圧電振動ジャイロは、電気的な信号を印加することで機械的な振動（以下、駆動モードと呼ぶ）を励起することができ、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動（以下、検出モードと呼ぶ）の大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動モードを励振した状態で駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした回転角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により検出モードが発生し、出力電圧として検出される。検出された出力電圧は、駆動モードの大きさ及び回転角速度に比例するので、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。

圧電振動ジャイロは、自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲや携帯電話付属のカメラの手振れ防止装置等に用いられている。近年、他の電子部品と同様に圧電振動ジャイロの小型化、低価格化が急速に進められるている。それに伴い、例えば、手振れ防止装置等では、携帯電話機をはじめとした携帯機器への圧電振動ジャイロの搭載の検討においては、これまで以上に、圧電振動ジャイロに小型化、耐衝撃性、高安定化が求められている。

圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの振動子の形状として代表的なものに音叉型振動子が挙げられる。音叉型振動子は、２つ以上のアーム状の振動部を有する構造体であり、例えば特許文献１には、音叉形振動子を用いた圧電振動ジャイロが記載されている。

特開２００６−２０１１１８号公報

圧電振動ジャイロとしての特性を維持、もしくは向上させつつ小型化を実現するためには、圧電単結晶振動子の検出効率を上げる必要がある。より具体的には、圧電単結晶振動子に角速度が印加された時に大きなコリオリ力を発生する振動子の構造や形状、コリオリ力による圧電効果で発生した電荷を効率よく電気的信号に変換できるような検出電極の配置が求められる。

図５は、従来の音叉型圧電単結晶振動子用いた圧電振動ジャイロの外観図で、図５（ａ）は上面図で、図５（ｂ）は下面図である。図６は、従来の音叉型圧電単結晶振動子用いた圧電振動ジャイロにＹ軸周りに角速度を印加した時に発生するコリオリ力によって生じる電荷分布を示す断面図である。図５、図６に示す従来の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロは本願の出願人の発明に係るものであり、公知技術となっているものではない。

この圧電音叉型単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロは、直交する２軸の角速度が検出可能な圧電振動ジャイロとなっている。以下説明の便宜上、図５、図６に示す圧電単結晶振動子の厚み方向をＸ軸、図面上の縦方向をＹ軸、図面上の横方向をＺ軸とする。また、この音叉型圧電単結晶振動子はＹＺ平面上でＹ軸とＺ軸と各４５度の角度をなすように、単結晶全体が同一の斜め方向に分極された場合で説明する。

音叉型圧電単結晶振動子３は矩形状板に貫通加工をして、矩形状板の一部を打ち抜くことにより、内部に振動部である４つの付加質量部４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄを保持する構造体が一体物として形成されている。また、音叉型圧電単結晶振動子３は圧電振動ジャイロとして機能させるための電極、および振動効率および検出効率を向上させるための電極が表裏両面に形成されている。図５（ａ）の上面図の電極配置に示すように、上面には駆動電極４６ａ、４６ｂ、４７ａ、４７ｂ、検出電極４８ａ、４９ａ、５１ａ、５０ａ、基準電位電極５２ａ、５２ｂが形成されている。図５（ｂ）の下面図の電極配置に示すように、下面には駆動電極４６ｃ、４６ｄ、４７ｃ、４７ｄ、検出電極４８ｂ、４９ｂ、５１ｂ、５０ｂ、基準電位電極５２ｃ、５２ｄが形成されている。各電極は音叉型圧電単結晶振動子３の外縁部まで引き回して配線されていて、信号処理回路が形成されている。

この圧電単結晶振動子の製造プロセスの一例を簡単に説明する。圧電単結晶材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランガサイト、酸化亜鉛等が用いられる。これらのウエハーに電極としてＣｒを下地としてＡｕをスパッタもしくは真空蒸着で成膜する。次にフォトリソグラフによりレジストを所望のパターンに形成し、エッチングによりＡｕおよびＣｒを除去し、さらにレジストを除去して、電極を形成する。反対面も同様な工程により、表裏両面に電極が形成される。次にフォトリソグラフによりレジストを所望のパターンに形成し、エッチングもしくはサンドブラストによって貫通加工を行い、レジストを除去して圧電単結晶振動子が得られる。

こうして得られた音叉型圧電単結晶振動子３は回路基板に導電接着剤で固定かつ電気的接続がなされて実装される。この時、駆動電極４６ａと４６ｃ、４６ｂと４６ｄ、検出電極４８ａと４８ｂ、４９ａと４９ｂ、５１ａと５１ｂ、５０ａと５０ｂ、基準電位電極５２ａと５２ｃ、５２ｂと５２ｄは各々導電接着剤で電気的に接続される。

音叉型圧電単結晶振動子３の上面において、駆動電極４６ａおよび４６ｂと駆動電極４７ａおよび４７ｂとの間に交流電圧を印加し、下面では、前記駆動電極とは逆位相で、駆動電極４６ｃおよび４６ｄと駆動電極４７ｃおよび４７ｄとの間に交流電圧を印加する。その結果、付加質量部４３ａおよび４３ｄがＸ軸方向に振動し、それとは逆位相に付加質量部４３ｃおよび４３ｂがＸ軸方向に振動する。この振動状態でＹ軸まわりに回転角速度が印加されるとコリオリ力により、Ｚ軸方向の振動が励振されるので、検出電極４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂから電気的に検出することができる。Ｚ軸まわりに回転角速度が印加されるとＹ軸方向の振動が励振されるので、検出電極５１ａ、５１ｂ、５０ａ、５０ｂから電気的に検出することができる。これらの検出信号を信号処理して出力することで、直交する２軸の角速度が検出できる圧電振動ジャイロを得ることができる。

音叉型圧電単結晶振動子３にＹ軸まわりに角速度が印加された時にコリオリ力によって発生する電荷分布が図６に示されている。図６に示すように、アームの外側と中央で逆の極性の電荷が発生する。また、第１の振動アーム４２ａと対になって音叉振動する第２の振動アーム４２ｂには第１の振動アーム４２ａと逆の極性の電荷が発生する。第３の振動アーム４２ｃと対となって音叉振動する第４の振動アーム４２ｄにも同様の現象が発生する。図５に示された圧電振動ジャイロでは、振動アームの中央に発生する電荷のみを検出電極４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂ、５１ａ、５１ｂで検出して信号処理する構造になっており、各振動アームの外側に発生する電荷は基準電位電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄに電気的に接続される構造のため、角速度の検出に使用されていない。従って、上記の構成は必ずしも、効率の良い電極配置になっていない。

また、特許文献１の圧電振動ジャイロが、図７に示されている。図７（ａ）は圧電単結晶振動子の外観図で、図７(ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ’の切断断面図である。図７（ｂ）に示されるように、検出用振動腕（アーム）に溝部６３ａ、６３ｂを設け、溝内部に電極を形成することで、電気機械変換効率を高め、角速度印加時の検出感度を向上させる構造となっている。しかしながら、この圧電振動ジャイロの構造では、圧電振動子の振動アームに溝部を設け、溝内部に電極を形成する工数が増えるので、低コストで製造するのに不利である。

本発明は、上記のような問題を解決すべくなされたもので、圧電単結晶振動子の小型化を実現し、低コストで高感度な音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロを提供することである。

本発明は、上記目的を達成するため、対となる振動アームを有する音叉型単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロにおいて、対となる振動アームに発生する電荷に着目して検討した結果得られたものである。音叉型単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロにおいては、音叉振動子の面内振動を検出するために、振動アームの主面上に振動アームの長手方向に平行な３本の検出電極を設ける。この検出電極に発生する電荷は、振動アームの中央と外側の検出電極間では電荷の極性が異なり、さらに対となる振動アーム間では、中央の検出電極同士、外側の検出電極同士では電荷の極性が異なるので、本発明のでは、これらの検出電極に発生する電荷を有効に活用して検出できるよう構成したものである。

即ち本発明によれば、対となる振動アームを有する音叉型単結晶振動子の各々の前記振動アームの主面に前記振動アームの長手方向に対して３本の検出電極が平行に形成された音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロであって、前記対となる振動アームの一方の振動アームの中央にある検出電極と他方の振動アームの外側にある２本の検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号と前記一方の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記他方の振動アームの中央にある検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号に基づいて角速度を検出することを特徴とする音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロが得られる。

また、本発明によれば、前記対となる振動アームの第１の振動アームの中央にある検出電極と第２の振動アームの外側にある２本の検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第１の検出端子と、前記第１の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第２の振動アームの中央にある検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第２の検出端子とを備えたことを特徴とする音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロが得られる。

また、本発明によれば、４つの振動アームを有し、第１の振動アームと第２の振動アームが対となり、前記第３の振動アームと第４の振動アームが対となり、前記第１の振動アームと第４の振動アームが対となり、前記第２の振動アームと前記第３の振動アームが対となる音叉型単結晶振動子の全ての前記振動アームの両主面に、各主面毎に前記振動アームの長手方向に対して３本の検出電極が平行に形成された音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロであって、前記第１の振動アームの中央にある検出電極と前記第２の振動アームの外側にある２本の検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号と前記第１の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第２の振動アームの中央にある検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号と前記第３の振動アームの中央にある検出電極と前記第４の振動アームの外側にある２本の検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号と前記第３の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第４の振動アームの中央にある検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号に基づいて角速度を検出することを特徴とする音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロが得られる。

また、本発明によれば、前記第１の振動アームの中央にある検出電極と前記第２の振動アームの外側にある２本の検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第１の検出端子と、前記第１の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第２の振動アームの中央にある検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第２の検出端子と、前記第３の振動アームの中央にある検出電極と前記第４の振動アームの外側にある２本の検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第３の検出端子と、前記第３の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第４の振動アームの中央にある検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第４の検出端子とを備えたことを特徴とする音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロが得られる。

本発明によれば、振動検出信号として、各振動アームに発生する電荷を有効に利用しているので、検出感度の高い圧電振動ジャイロが提供できる。また、音叉型単結晶振動子上で検出電極間の電気的な接続を行う事により、電極端子を減らすことができるので、音叉型単結晶振動子の回路基板等への固定が容易となる。また、４つの振動アームを有する本発明の圧電振動ジャイロは２軸の角速度を検出できるので、圧電単結晶振動子の小型化を実現しつつ、低コストで高感度な音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの提供が可能になる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロについて従来例と比較して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図を用いて説明する。本発明の第１の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの外観図が図１に示されている。図１（ａ）は上面図で、図１（ｂ）は下面図である。図２は、第１の実施の形態の圧電振動ジャイロにＹ軸周りに角速度を印加した時に発生するコリオリ力によって生じる電荷分布を示す断面図である。

第１の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロは１軸の角速度を検出できる圧電振動ジャイロである。以下、説明の便宜上、図１、図２に示した音叉型圧電単結晶振動子２の厚み方向をＸ軸とし、縦方向（図面の上下方向）をＹ軸とし、横方向（図面の左右方向）をＺ軸とする。

図１に示された音叉型圧電単結晶振動子２は、振動部である第１の振動アーム３１ａと第２の振動アーム３１ｂとこれら振動アームを支える基台３２から構成される。音叉型圧電単結晶振動子２の上面には検出電極３３ａ、３３ｂが形成され、下面には駆動電極３４ａ、３４ｂ、３５が形成されている。各電極は振動アームと基台を経由して外縁部まで引き回して配線される。

ここで、検出電極として振動アーム上に、少なくとも振動子の上面もしくは下面側に、各振動アームの長手方向に平行に３本の検出電極を設ける。さらに、対になる振動アームの検出電極は、夫々、一方の振動アーム上の中央電極と他方の振動アーム上の外側の電極とを電気的に接続する。第１の実施の形態の場合は、図１（ａ）で説明すると、検出電極３３ａは第１の振動アーム３１ａの外側に設けられた検出電極と第２の振動アーム３１ｂの中央に設けられた検出電極が音叉型圧電単結晶振動子２上で電気的に接続される。また、同様に検出電極３３ｂは第２の振動アーム３１ｂの外側に設けられた検出電極と第１の振動アーム３１ａの中央に設けられた検出電極が音叉型圧電単結晶振動子２上で電気的に接続される。

駆動電極は各振動アームの長手方向に平行に２本の駆動電極を設ける。第１の実施の形態の場合は、図１（ｂ）で説明すると、音叉型圧電単結晶振動子２の中央側にある第１の振動アーム３１ａと第２の振動アーム上の駆動電極が電気的に接続された駆動電極３５と、音叉型圧電単結晶振動子２の外側にある第１の振動アーム３１ａの駆動電極３４ａと第２の振動アーム上の駆動電極３４ｂを形成する。中央側の駆動電極３５と外側の駆動電極３４ａ、３４ｂ間に共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、第１振動アーム３１ａと第２の振動アーム３１ｂには逆位相のＸ方向の振動が発生し、音叉型圧電単結晶振動子２に面外振動を行わせることができる。

図１の音叉型圧電単結晶振動子２に駆動信号を入力した状態で、Ｙ軸周りに角速度を印加してコリオリ力が発生した場合に生じる電荷分布は図２のようになる。図２のように振動アームの外側と中央では逆の極性の電荷が発生する。このように、第１の振動アーム３１ａの電荷分布３６ａは、第１の振動アーム３１ａと対になって振動する第２の振動アーム３１ｂに発生する電荷分布３６ｂとは逆の極性の電荷が発生する。

検出電極３３ａは第１の振動アーム３１ａの外側に発生した負の電荷と第２の振動アーム３１ｂの中央に発生した負の電荷を検出する配置になっており、検出電極３３ｂは、第１の振動アーム３１ａの中央に発生した正の電荷と第２の振動アーム３１ｂの外側に発生した正の電荷を検出する配置になっている。

第１の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロでは、図１（ａ）に示されるように、振動アームの中央と外側に発生する極性の異なる電荷を効率よく検出できるように電極が配置されているので、従来に比べ２倍の検出効率が得られる。その結果、圧電振動ジャイロの感度は２倍になる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図を用いて説明する。本発明の第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの外観図が図３に示されている。図３（ａ）は上面図で、図３（ｂ）は下面図である。図４は、本発明の第２の実施の形態の圧電振動ジャイロにＹ軸周りに角速度を印加した時に発生するコリオリ力によって生じる電荷分布を示す断面図である。

第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロは直交する２軸の角速度を検出できる様に構成されている。以下、説明の便宜上、図３に示した音叉型圧電単結晶振動子１の厚み方向をＸ軸とし、縦方向（図面の上下方向）をＹ軸とし、横方向（図面の左右方向）をＺ軸とする。また、第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子はＹＺ平面上でＹ軸とＺ軸と各４５度の角度をなすように、単結晶全体が同一の斜め方向に分極された場合である。本発明の音叉型圧電単結晶振動子の分極方向は、例えば各振動アーム毎に変える等、上記と別の分極方向としても構成できる。ただし、電極の配置、接続、振動子の駆動の説明等は以下とは少し異なる。

図３に示されるように、音叉型圧電単結晶振動子１は、外枠１１の内部に振動部である第１の振動アーム１２ａ、第２の振動アーム１２ｂ、第３の振動アーム１２ｃ、第４の振動アーム１２ｄと、各振動アームの先端に付加質量部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと、第１の振動アーム１２ａと第３の振動アーム１２ｃを支えるビーム１４ａおよび第２の振動アーム１２ｂと第４の振動アーム１２ｄを支えるビーム１４ｂと、ビーム１４ａと外枠１１を固定接続するセンタービーム１５から構成され、外枠１１と第１の振動アーム１２ａと付加質量部１３ａとビーム１４ａとセンタービーム１５は一体で形成されている。

図３（ａ）の上面図の電極配置に示すように、音叉型圧電単結晶振動子１の上面には、駆動電極１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂと検出電極１８ａ、１８ｂ、１９ａ、２０ａ、２０ｂ、２１ａが形成されている。図３（ｂ）の下面図の電極配置に示すように、音叉型圧電単結晶振動子１の下面には、駆動電極１６ｃ、１６ｄ、１７ｃ、１７ｄと検出電極１８ｃ、１８ｄ、１９ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２１ｂが形成されている。各電極は、第１の振動アーム１２ａ、第２の振動アーム１２ｂ、第３の振動アーム１２ｃ、第４の振動アーム１２ｄ、ビーム１４ａ、１４ｂ、センタービーム１５および外枠１１を経由して外縁部まで引き回して配線される。

ここで、検出電極としては、振動アーム上に、少なくとも振動子の上面もしくは下面側に、各振動アームの長手方向に平行に３本の検出電極を設ける。さらに、振動アームと対になる振動アームの検出電極は、夫々、一方の振動アーム上の中央電極と他方の振動アーム上の外側の電極とを電気的に接続する。第２の実施の形態の場合は、直交する２軸の各速度を検出するために、図３に示されるように、各振動アームの音叉型圧電単結晶振動子１の上下両面に３本ずつ合計６本の平行電極が配置されている。

検出電極１８ａは第１の振動アーム１２ａの中央に発生した電荷を検出する配置とし、検出電極１８ｃは第１の振動アーム１２ａの外側に発生した電荷を検出する配置とし、検出電極１８ｂは第２の振動アーム１２ｂの外側に発生した電荷を検出する配置とし、検出電極１８ｄは第２の振動アーム１２ｂの中央に発生した電荷を検出する配置とする。また、検出電極１９ａは、第１の振動アーム１２ａの外側に発生した電荷と第２の振動アーム１２ｂの中央に発生した電荷を検出する配置とし、検出電極１９ｂは、第１の振動アーム１２ａの中央に発生した電荷と第２の振動アーム１２ｂの外側に発生した電荷を検出する配置とする。さらに、検出電極２０ａは第３の振動アーム１２ｃの中央に発生した電荷を検出する配置とし、検出電極２０ｃは第３の振動アーム１２ｃの外側に発生した電荷を検出する配置とし、検出電極２０ｂは第４の振動アーム１２ｄの外側に発生した電荷を検出する配置とし、検出電極２０ｄは第４の振動アーム１２ｄの中央に発生した電荷を検出する配置とする。また、検出電極２１ａは第３の振動アーム１２ｃの外側に発生した電荷と第４の振動アーム１２ｄの中央に発生した電荷を検出する配置とし、検出電極２１ｂは第３の振動アーム１２ｃの中央に発生した電荷と第４の振動アーム１２ｄの外側に発生した電荷を検出する配置とする。

この第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子１を用いた圧電振動ジャイロの圧電単結晶振動子の製造プロセスについて説明する。圧電単結晶材料には、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランガサイト、酸化亜鉛のいずれかが用いられる。Ｃｒ電極を下地としてＡｕをスパッタもしくは真空蒸着で圧電単結晶材料のウエハーに成膜する。次に、フォトリソグラフによりレジストを所望のパターンに形成した上で、エッチングでＡｕとＣｒを除去する。更に、レジストを除去して、電極を形成する。反対面も同様な工程で、両面に電極が形成される。

次に、フォトリソグラフによりレジストを所望のパターンに形成し、エッチングもしくはサンドブラストにより貫通加工を行った上で、レジストを除去することで圧電単結晶振動子を得る。

得られた図３に示す音叉型圧電単結晶振動子１を、信号処理回路を有するパッケージに導電接着剤で固定することで、電気的接続をとって実装することで、圧電振動ジャイロが得られる。駆動電極１６ａと１６ｃ、１６ｂと１６ｄ、１７ａと１７ｃ、１７ｂと１７ｄ、検出電極１８ａと１８ｃ、１８ｂと１８ｄ、１９ａと１９ｂ、２０ａと２０ｃ、２０ｂと２０ｄ、２１ａと２１ｂは各々導電接着剤で電気的に接続される。また、パッケージ上の配線において検出電極１８ａ（１８ｃ）と１８ｂ（１８ｄ）、２０ａ（２０ｃ）と２０ｂ（２０ｄ）は各々電気的に接続される。

音叉型圧電単結晶振動子１の駆動電極１６ａおよび１６ｂと、駆動電極１７ａおよび１７ｂとの間に交流電圧を印加した上で、駆動電極１６ａおよび１６ｂと、駆動電極１７ｃおよび１７ｄとの間に駆動電極と逆位相の交流電圧を印加すると、ビーム１４ａ、１４ｂにすべり振動が発生し、付加質量部１３ａ、１３ｄと、付加質量部１３ｂ、１３ｃがＸ軸方向に逆位相で振動する。

ビーム１４ａ、１４ｂにすべり振動が発生し、付加質量部１３ａ、１３ｄと、付加質量部１３ｂ、１３ｃとがＸ軸方向に逆位相で振動する状態でＹ軸まわりに回転角速度が印加されるとコリオリ力により、各振動アームのＺ軸方向の振動が励振される。その結果、検出電極１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂから電気的に各振動アームのＺ軸方向の振動を検出できる。また、同様にＺ軸まわりに回転角速度が印加されると各振動アームのＹ軸方向の振動が励振されるので、検出電極１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂから各振動アームのＹ軸方向の振動を電気的に検出できる。検出電極１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂで検出された検出信号を信号処理することによりＹ軸方向、Ｚ軸方向の信号を分離して出力することで、直交する２軸の角速度が検出できる圧電振動ジャイロが得られる。

図３の音叉型圧電単結晶振動子１に駆動信号を入力した状態で、Ｙ軸まわりに角速度を印加してコリオリ力が発生した場合に生じる電荷分布は図４のようになる。図４に示すようにアームの外側と中央では逆の極性の電荷が発生する。また、第１の振動アームと対になって音叉振動する第２の振動アームには第１の振動アームと逆の極性の電荷が発生する。第３の振動アームと対となって音叉振動する第４の振動アームについても同様の現象が発生する。

検出電極１８ａは第１の振動アーム１２ａの中央に発生した正の電荷を検出する配置になっており、検出電極１８ｂは第２の振動アーム１２ｂの外側に発生した正の電荷を検出する配置となっているのに対して、検出電極１８ｃは第１の振動アーム１２ａの外側に発生した負の電荷を検出する配置になっており、検出電極１８ｄは第２の振動アーム１２ｂの中央に発生した負の電荷を検出する配置となっている。また、検出電極１９ａは、第１の振動アーム１２ａの外側に発生した負の電荷と第２の振動アーム１２ｂの中央に発生した負の電荷を検出する配置になっているのに対し、検出電極１９ｂは、第１の振動アーム１２ａの中央に発生した正の電荷と第２の振動アーム１２ｂの外側に発生した正の電荷を検出する配置になっている。

なお、検出電極２０ａは第３の振動アーム１２ｃの中央に発生した負の電荷を検出する配置になっており、検出電極２０ｂは第４の振動アーム１２ｄの外側に発生した負の電荷を検出する配置となっているのに対して、検出電極２０ｃは第３の振動アーム１２ｃの外側に発生した正の電荷を検出する配置になっており、検出電極２０ｄは第４の振動アーム１２ｄの中央に発生した正の電荷を検出する配置となっている。また、検出電極２１ａは第３の振動アーム１２ｃの外側に発生した正の電荷と第４の振動アーム１２ｄの中央に発生した正の電荷を検出する配置になっているのに対し、検出電極２１ｂは第３の振動アーム１２ｃの中央に発生した負の電荷と第４の振動アーム１２ｄの外側に発生した負の電荷を検出する配置になっている。

第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの具体的な一例を示す。圧電単結晶材料としてニオブ酸リチウムを用い、外形寸法が幅３ｍｍ×長さ３．５ｍｍ×厚み０．２５ｍｍで、各振動アームの外形寸法が幅０．１ｍｍ×長さ０．３５ｍｍで、各付加質量部大きさの外形寸法が０．４５ｍｍ×０．６ｍｍとなる形状の図１の音叉型圧電単結晶振動子を作製した。この場合のＸ軸方向の振動の共振周波数は約５０ｋＨｚとなる。圧電振動子を１．５Ｖｐｐで駆動した場合の圧電振動ジャイロの感度は、信号処理回路の増幅率が２００倍の時でＹ軸回りの回転角速度とＺ軸回りの回転角速度は共に約０.６ｍＶ／°／秒が得られ、１つの圧電単結晶振動子で、２軸の角速度を検出できた。

従来例では、図５、図６に示すように、各振動アームの外側に発生する電荷は基準電位電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄにより電気的に接続されているので、角速度の検出に利用できない構造になっており、検出電極４８ａ、４８ｂ、４９ａ，４９ｂ、５０ａ、５０ｂ、５１ａ、５１ｂにより振動アームの中央に発生する電荷のみを検出して信号処理しているので、検出効率が低く、上記の本願発明の一例と同様の材料、寸法の場合には、従来例の圧電振動ジャイロの感度は約０．３ｍＶ／゜／秒であった。

本発明の第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子１を用いた圧電振動ジャイロでは、振動アームと中央と外側に発生する極性の異なる電荷を効率よく検出できるように検出電極が配置されているので、従来例に比べ２倍の検出効率が得られる。その結果、第２の実施の形態の圧電振動ジャイロの感度は従来例の圧電振動ジャイロの２倍になる。

上記で説明した駆動方式では、Ｚ軸まわりに角速度を印加した場合は、第１の振動アーム１２ａと第２の振動アーム１２ｂ、第３の振動アーム１２ｃと第４の振動アーム１２ｄに関しては、夫々、中央に発生する電荷と外側に発生する電荷は、Ｙ軸回りに角速度を与えた場合と同様に、同じ電荷となるが、第１の振動アーム１２ａと第３の振動アーム１２ｃ、第２の振動アーム１２ｂと第４の振動アーム１２ｄに関しては、夫々、中央に発生する電荷と中央に発生する電荷、外側に発生する電荷と外側に発生する電荷が、同じ電荷となる。この違いにより、Ｙ軸まわりとＺ軸まわりの２軸の振動を分離して検出可能となる。ただし、Ｚ軸まわりの場合も中央と外側の発生電荷を有効に利用するので、第２の実施の形態の圧電振動ジャイロの感度は従来例の圧電振動ジャイロの２倍になる。

また、第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの電極の配置は、マスクのパターンを変更するだけで、通常のフォトリソグラフによる電極形成工程で形成することができるので、余分なコストを発生させることなく製造できる。

以上述べたように、本発明の第１の実施の形態、第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロでは、図２、図４に示されるような、振動アームの中央と外側に発生する極性の異なる電荷を効率よく検出できるように電極が配置されているので、従来に比べ２倍の検出効率が得られる。その結果、圧電振動ジャイロの感度は２倍になる。

また、本発明の第１の実施の形態、第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの電極の配置は、マスクのパターンを変更するだけで、通常のフォトリソグラフによる電極形成工程で形成することができるので、余分なコストを発生させることなく製造できる。

以上に示した通り、本発明によれば、圧電単結晶振動子の小型化を実現しつつ、低コストで高感度な音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの提供が可能になる。

本発明の第１の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの外観図。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は下面図。 本発明の第１の実施の形態の圧電振動ジャイロにＹ軸周りに角速度を印加した時に発生するコリオリ力によって生じる電荷分布を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロの外観図。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は下面図。 本発明の第２の実施の形態の圧電振動ジャイロにＹ軸周りに角速度を印加した時に発生するコリオリ力によって生じる電荷分布を示す断面図。 従来の音叉型圧電単結晶振動子用いた圧電振動ジャイロの外観図。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は下面図。 従来の音叉型圧電単結晶振動子用いた圧電振動ジャイロにＹ軸周りに角速度を印加した時に発生するコリオリ力によって生じる電荷分布を示す断面図。 従来の音叉型圧電単結晶振動子用いた圧電振動ジャイロの外観図と断面図。図７（ａ）は外観図、図７（ｂ）は、７（ａ）のＡ−Ａ’切断断面図。

符号の説明

１、２、３、４ 音叉型圧電単結晶振動子
１１ 外枠
１２ａ 第１の振動アーム
１２ｂ 第２の振動アーム
１２ｃ 第３の振動アーム
１２ｄ 第４の振動アーム
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ 付加質量部
１４ａ、１４ｂ ビーム
１５ センタービーム
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 駆動電極
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 駆動電極
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 検出電極
１９ａ、１９ｂ 検出電極
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 検出電極
２１ａ、２１ｂ 検出電極
２２ａ 第１の振動アームの電荷分布
２２ｂ 第２の振動アームの電荷分布
２２ｃ 第３の振動アームの電荷分布
２２ｄ 第４の振動アームの電荷分布
３１ａ 第１の振動アーム
３１ｂ 第２の振動アーム
３２ 基台
３３ａ、３３ｂ 検出電極
３４ａ、３４ｂ 駆動電極
３５ 駆動電極
３６ａ （第１の振動アームの）電荷分布
３６ｂ （第２の振動アームの）電荷分布
４１ 外枠
４２ａ 第１の振動アーム
４２ｂ 第２の振動アーム
４２ｃ 第３の振動アーム
４２ｄ 第４の振動アーム
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ 付加質量部
４４ａ、４４ｂ ビーム
４５ センタービーム
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ 駆動電極
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ 駆動電極
４８ａ、４８ｂ 検出電極
４９ａ、４９ｂ 検出電極
５０ａ、５０ｂ 検出電極
５１ａ、５１ｂ 検出電極
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ 基準電位電極
５３ａ 第１の振動アームの電荷分布
５３ｂ 第２の振動アームの電荷分布
５３ｃ 第３の振動アームの電荷分布
５３ｄ 第４の振動アームの電荷分布
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ 振動アーム（駆動用）
６２ａ、６２ｂ 振動アーム（検出用）
６３ａ、６３ｂ 溝部

Claims (4)

1. 対となる振動アームを有する音叉型単結晶振動子の各々の前記振動アームの主面に前記振動アームの長手方向に対して３本の検出電極が平行に形成された音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロであって、前記対となる振動アームの一方の振動アームの中央にある検出電極と他方の振動アームの外側にある２本の検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号と前記一方の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記他方の振動アームの中央にある検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号に基づいて角速度を検出することを特徴とする音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロ。
2. 前記対となる振動アームの第１の振動アームの中央にある検出電極と第２の振動アームの外側にある２本の検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第１の検出端子と、前記第１の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第２の振動アームの中央にある検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第２の検出端子とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロ。
3. ４つの振動アームを有し、第１の振動アームと第２の振動アームが対となり、前記第３の振動アームと第４の振動アームが対となり、前記第１の振動アームと第４の振動アームが対となり、前記第２の振動アームと前記第３の振動アームが対となる音叉型単結晶振動子の全ての前記振動アームの両主面に、各主面毎に前記振動アームの長手方向に対して３本の検出電極が平行に形成された音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロであって、前記第１の振動アームの中央にある検出電極と前記第２の振動アームの外側にある２本の検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号と前記第１の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第２の振動アームの中央にある検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号と前記第３の振動アームの中央にある検出電極と前記第４の振動アームの外側にある２本の検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号と前記第３の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第４の振動アームの中央にある検出電極からの電荷を合わせて得られる出力信号に基づいて角速度を検出することを特徴とする音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロ。
4. 前記第１の振動アームの中央にある検出電極と前記第２の振動アームの外側にある２本の検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第１の検出端子と、前記第１の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第２の振動アームの中央にある検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第２の検出端子と、前記第３の振動アームの中央にある検出電極と前記第４の振動アームの外側にある２本の検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第３の検出端子と、前記第３の振動アームの外側にある２本の検出電極と前記第４の振動アームの中央にある検出電極が前記音叉型単結晶振動子上で電気的に接続されてなる第４の検出端子とを備えたことを特徴とする請求項３記載の音叉型圧電単結晶振動子を用いた圧電振動ジャイロ。

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