JP3684873B2 - 角速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、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。
【０００３】
このような角速度センサにおいて、振動子を駆動する方法としては、他励発振型駆動回路による方法と、自励発振型駆動回路による方法とがある。しかしながら、他励発振型駆動回路による方法は、振動子等の温度特性によって発振周波数と振動子の共振周波数とにずれが生じると急激にコリオリ力の検出感度が低下するという問題があり、実用化に至っていない。
【０００４】
そこで、現在は、図５又は図６に示すように、移相発振回路のループに振動子を組み入れた自励発振型駆動回路による角速度センサが一般的になっている。このような角速度センサでは、振動子の共振周波数で自励発振するので、温度特性による感度変化が少なく、広温度範囲において感度の安定した角速度出力を得ることができる。
【０００５】
図５に示す従来の角速度センサは、三角柱状の恒弾性振動子１００の側面に、電極１０１ａ及び圧電体１０１ｂからなる第１の圧電素子１０１と、電極１０２ａ及び圧電体１０２ｂからなる第２の圧電素子１０２と、電極１０３ａ及び圧電体１０３ｂからなる第３の圧電素子１０３とがそれぞれ取り付けられた三角柱状の振動子１０４を備えている。例えば、恒弾性振動子１００は、恒弾性金属振動子である。
【０００６】
また、この従来の角速度センサは、第１の圧電素子１０１に接続された増幅器１０５と、増幅器１０５に接続された移相器１０６と、第２の圧電素子１０２及び第３の圧電素子１０３に接続された差動増幅器１０７と、差動増幅器１０７に接続された同期検波器１０８と、同期検波器１０８に接続されたローパスフィルタ１０９とを備えている。この従来の角速度センサにおいて、第２の圧電素子１０２及び第３の圧電素子１０３は、自励発振のために振動子１０４の振動を検出するとともに、振動子１０４に生じるコリオリ力を検出する。
【０００７】
このような三角柱状の振動子１０４を用いた角速度センサは、現在のところ最も感度が高く、主流となっている。しかしながら、このような角速度センサでは、構造が複雑なために、製造工程における量産効果を出すことが難しいという問題があった。例えば、三角形状に形成されている恒弾性振動子の一つ一つに圧電素子を接着する工程が必要になり、量産効果を出すことができないといった問題がある。また、小型化に伴い支持機構の精度や恒弾性金属振動子への圧電素子の接着精度が要求され、且つその接着による接着層の当該振動子に与える影響が増大するため、小型化による生産効率が悪く、コストアップが著しくなるという問題があった。
【０００８】
また、図６に示す従来の角速度センサは、円柱状の圧電セラミック振動子１１０の側面に６つの電極１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６が印刷された振動子１１７を備えている。ここで、第１乃至第３の電極１１１，１１２，１１３はそれぞれ独立した電極とされ、第４乃至第５の電極１１４，１１５，１１６は共通のグランド電位に接続される。また、この角速度センサは、第１の電極１１１に接続された増幅器１１８と、増幅器１１８に接続された移相器１１９と、移相器１１９に接続された加算機１２０と、第２及び第３の電極１１２，１１３に接続された差動増幅器１２１と、差動増幅器１２１に接続された同期検波器１２２と、同期検波器１２２に接続されたローパスフィルタ１２３とを備えている。この角速度センサでは、第１の電極１１１に電圧を印加することにより、振動子１１７を振動させるとともに、第２及び第３の電極１１２，１１３によって、振動子１１７に生じるコリオリ力を検出する。
【０００９】
この従来の角速度センサでは、上述したように電極１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６を振動子１１７に印刷しているために、振動子１１７に圧電素子を接着する必要がなく、比較的にシンプルな構造となっている。しかしながら、この従来の角速度センサでは、特に小型化を図った場合に、圧電セラミック振動子１１０の製造、並びに当該圧電セラミック振動子１１０への電極の印刷を精度良く行うことが難しいという問題があった。
【００１０】
すなわち、この従来の角速度センサでは、円柱状の圧電セラミック振動子１１０を用いているが、三角柱状や四角柱状のものに比べて、円柱状の圧電セラミック振動子１１０を精度良く製造することは難しい。しかも、この角速度センサでは、曲面上に電極を精度良く印刷することは容易ではない。
【００１１】
このように、この角速度センサでは、円柱状の圧電セラミック振動子１１０を用いるために製造が難しく、量産効果が期待できない構造となっており、たとえ量産したとしても低コスト化を図ることは難しい。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、他励発振型駆動回路による方法では、温度特性による感度変化が問題となる。そして、この問題を解決するために、自励発振型駆動回路を採用した角速度センサが提案されているが、これら従来の角速度センサにおいても、上述したように様々な問題が残されている。
【００１３】
すなわち、図５に示したような従来の角速度センサでは、恒弾性金属振動子への圧電素子の接着や振動子支持機構などの構造が複雑になってしまう。また、図６に示すような従来の角速度センサでは、円柱状の圧電セラミック振動子を用いるため、振動子１１０を精度良く製造することは難しく、しかも、曲面上に電極を精度良く印刷することは容易ではない。
【００１４】
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も比較的容易に満足できる検出感度に優れた角速度センサを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る角速度センサは、板状の圧電体の一方の面に長手方向に第１の圧電素子電極が形成され、上記圧電体の上記一方の面に対向する他方の面の全面に第２の圧電素子電極が形成された圧電素子と、断面形状が略矩形の基体の上記圧電素子の他方の面と対向する接合面に第１の基体素子電極が形成され、上記基体の長手方向の上記接合面と隣り合う端面に第２の基体素子電極が形成され、上記基体の上記接合面との対向面に第３の基体素子電極が形成され、上記第１乃至第３の基体素子電極が一体に形成された基体素子とを備える。上記圧電素子と上記基体素子とは、上記第２の圧電素子電極と上記基体素子の第１の基体素子電極とを接合積層して振動子を構成する。この角速度センサは、角速度の検出を、上記圧電素子の第１の圧電素子電極と上記基体素子の第３の基体素子電極との間に電圧を印加して行う。
【００１６】
本発明に係る角速度センサは、圧電素子と基体素子とを積層するようにして接合することで四角柱状の振動子を構成する。基体素子への圧電素子の積層により、圧電素子の第２の圧電素子電極と基体素子の第１の基体素子電極とが電気的に接続される。そして、この角速度センサは、角速度の検出を、上記圧電素子の第１の圧電素子電極と上記基体素子の第３の基体素子電極との間に電圧を印加することにより、圧電素子を駆動して振動子を振動させ、同時にコリオリ力を検出する。
【００１７】
そして、本発明に係る角速度センサは、圧電素子と基体素子を張り合わせた構造の四角柱状の振動子を構成していることから、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工程を要することなく製造される。さらに、振動子は、圧電体の母材とされるウェハ及び基体の母材とされるウェハに電極メッキを施すことにより電極を形成して張り合わせた後、四角柱形状に個々に切り出すだけといった工程により製造可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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いうまでもない。
【００１９】
本発明を適用した角速度センサの一例について、図１乃至図３にその基本構成を示す。この角速度センサは、振動ジャイロとして動作する振動子１を備えている。
【００２０】
この角速度センサは、圧電体２ａと、この圧電体２ａの対向される面に配置されている第１の圧電素子電極を構成する電極（以下、上面電極という。）２ｂ，２ｃ、及び第２の圧電素子電極である電極（以下、下面電極という。）２ｄとからなる断面略矩形の圧電素子２と、基体３ａと、この基体３ａの面に一体にされて配置されている第１乃至第３の基体素子電極を構成する各電極３ｂ，３ｃ，３ｄとからなる断面略矩形の基体素子３とを積層してなる略四角柱状の振動子１を備えている。そして、振動子１は、第２の圧電素子電極となる下面電極２ｄと基体３ａの第１の基体素子電極となる電極３ｄとが接合されて、積層構造とされている。
【００２１】
この角速度センサは、第１の圧電体電極を構成する上面電極２ｂ，２ｃと、基体素子３の振動子１との接合面と対向する対向面に配置されている第３の基体素子電極となる電極３ｂとの間に電圧を印加して、圧電素子２により振動子１を振動させるとともに、振動子１に生じるコリオリ力を圧電素子２により角速度を検出する。
【００２２】
次に、角速度センサの構成部について詳しく説明する。
【００２３】
基体素子３は、基体３ａと、電極３ｂ，３ｃ，３ｄとを備えている。基体素子３は、基体３ａの表面上に、一体とされて形成された電極３ｂ，３ｃ，３ｄが配置されている。
【００２４】
基体３ａは、断面略矩形の柱状の形状をなしている。この基体３ａは、圧電素子２の圧電体２ａに用いている圧電材料と同一材料によりなる。例えば、圧電材料として圧電セラミック材料であるＰＺＴが用いられている。
【００２５】
電極３ｄは、基体３ａにおいて圧電素子２との接合面に配置されている第１の基体素子電極である。すなわち、電極３ｄは、圧電素子２と基体素子３とが接合された状態において、圧電素子２の第２の圧電素子電極である下面電極２ｄと電気的に接続されている。以後、電極３ｄを接合面電極３ｄという。
【００２６】
電極３ｃは、基体３ａの長手方向の各端面に配置されている第２の基体素子電極である。以後、電極３ｃを端面電極３ｃという。
【００２７】
電極３ｂは、基体３ａにおいて、接合面電極３ｄが配置されている面と対向する対向面に配置されている第３の基体素子電極である。以後、電極３ｂを裏面電極３ｂという。
【００２８】
このように基体３ａの各面に配置されている電極３ｂ，３ｃ，３ｄは、各々隣合う面の電極と一体となっている。すなわち、電極３ｂ，３ｃ，３ｄは、電気的に一体とされた電極を構成している。例えば、相対向する面に配置されている接合面電極３ｄと裏面電極３ｂは、端面電極３ｃにより電気的に接続されている。すなわち、これにより、接合面電極３ｄが圧電素子２の下面電極２ｄと電気的に接続された状態とされていることから、圧電素子２の下面電極２ｄと基体素子３の電極３ｂ，３ｃ，３ｄとは、結果的に共通電極として働く。
【００２９】
例えば、電極３ｂ，３ｃ，３ｄは、基体３ａに電極メッキを施すことにより、基体３ａの表面に一体とされて形成される。
【００３０】
圧電素子２は、圧電体２ａと、その各面に配置されている電極２ｂ，２ｃ，２ｄとを備えている。
【００３１】
圧電体２ａは、圧電材料により断面略矩形の板状の形状をなしている。この圧電材料２は、上述した基体素子３の基体３ａと同一材料を用いて形成されており、例えば、圧電セラミック材料であるＰＺＴにより形成されている。通常、分極処理により、この圧電体２ａは生成されている。このように圧電体２ａ及び基体３ａに同一材料を用いることにより、例えば、振動子１としての熱的、音響的又は構造的な信頼性及び加工性の向上を図ることができる。
【００３２】
上面電極２ｂ，２ｃは、圧電体２ａの一方の面において、この圧電体２ａの長手方向に分割された一対の第１の圧電素子電極として構成されている。
【００３３】
下面電極２ｄは、上面電極２ｂ，２ｃに対向している他方の面に配置されている第２の圧電素子電極である。この下面電極２ｄは、上述したように、圧電素子２と基体素子３が接合された状態において、基体素子３の接合面電極３ｄと電気的に接続されている。すなわち、下面電極２ｄは、接合面電極３ｄとの電気的接続により、基体素子３の長手方向の端面に配置されている端面電極３ｃと、さらには接合面電極３ｄが形成された接合面と対向する対向面の裏面電極３ｂと電気的に接続される。
【００３４】
以上のように振動子１を構成する圧電素子２及び基体素子３が構成されている。次に振動子１の製造工程について図４を用いて説明する。
【００３５】
まず、基体素子３の部分に対応して、基体３ａの母材となるウェハ（以下、基体ウェハという。）に電極メッキを施し、また、圧電素子２の部分に対応して、圧電体２ａの母材となるウェハ（以下、圧電体ウェハという。）に電極メッキを施す。
【００３６】
図４（Ａ）に示すように、各ウェハ（圧電ウェハ２0、基体ウェハ３0）は、例えば、略平板状であって、各ウェハへの電極メッキ処理は、下地としてＮｉメッキを施した後、電極メッキとして金メッキを施すことにより行う。基体ウェハ３0についての塗布は、各ウェハの表面全体について、すなわち全ての面についてなされる。このような電極メッキが、圧電素子２及び基体素子３において各電極を構成するものとなる。
【００３７】
具体的には、圧電ウェハ２0の厚さは、基体ウェハ３0の厚ささより薄く、例えば、圧電ウェハ２0の厚さを０．２ｍｍ、基体ウェハ３0の厚さを０．８ｍｍとしている。
【００３８】
また、圧電素子２の分極処理については、厚みを０．２ｍｍの圧電ウェハの状態で、金メッキを施し、１２０℃恒温槽中で６００Ｖ、３０分の条件で分極している。
【００３９】
そして、図４（Ａ）から（Ｂ）に示すように、この電極メッキが施された圧電ウェハ２0と基体ウェハ３0を張り合わせて、積層構造とする。
具体的には、予め金メッキを施した圧電素子２と基体素子３は、幅１２ｍｍのウェハの状態で熱硬化性樹脂接着剤で接着する。
【００４０】
この積層構造とされたものについて、図４（Ｂ）中の矢印Ａ−Ａの方向に、四角柱の形状として個々に切り出しを行う。例えば、この切り出しの際に、圧電ウェハ２0の電極メッキ面２bc0に対してスリットを入れて、上面電極２ｂ、２ｃを形成する加工を行う。
【００４１】
この個々の切り出しにより、図４（Ｃ）に示すように、振動子１ができる。すなわち、上面電極２ｂ，２ｃが形成された圧電素子２と、端面電極３ｃ及び裏面電極３ｂが形成された基体素子３とからなり、圧電素子２と基体素子３との接合面において電気的に接続された振動子１ができる。
【００４２】
例えば、基体素子３に形成される端面電極３ｃ及び裏面電極３ｂについていえば、電極メッキした各ウェハを張り合わせ接合し、その後に切り出し加工することのみにより、圧電素子２に電気的に接続された接合面電極３ｄと一体とされて形成されるといったように、形成が容易になされる。
【００４３】
振動子１は、例えば、１．０ｍｍ×１．０ｍｍの断面形状、長さが１２ｍｍを有した振動子として製造される。そして、振動子１は、圧電素子２の厚さが基体素子３の厚さより薄くなされた構造となる。
【００４４】
ここで、圧電体ウェハと基体ウェハは、同一材料とすることにより、加工が容易になる。また、圧電素子２を薄くすることで、分極処理、振動子の低電圧駆動が容易になる。
【００４５】
角速度センサは、以上のような構成からなる振動子１を振動させるためとコリオリ力を検出するための回路として、加算器４と、増幅器５と、位相器６と、差動増幅器７と、同期検波器８と、ローパスフィルタ９とを備えている。
【００４６】
具体的には、角速度センサは、加算器４と、増幅器５と、位相器６と、圧電素子２の上面電極２ｂ，２ｃとから、振動子１を振動させる振動駆動部を構成している。また、角速度センサは、差動増幅器７と、加算器４の出力に接続されている同期検波器８と、ローパスフィルタ９と、圧電素子２の上面電極２ｂ，２ｃとから、振動子１の振動時のコリオリ力を検出する検出部を構成している。
【００４７】
圧電素子２から出力された信号の流れに沿って詳しく説明すると、振動駆動部においては、圧電素子２の電極２ｂ，２ｃの出力（Ｓ＋，Ｓ−）が加算器４に入力され、それらの加算値がこの加算器４により取られる。そして、加算器４からの出力は、増幅器５に入力され、ここで入力信号の増幅が行われる。そして、増幅器５からの出力が、移相器６によりその位相が推移され、上面電極２ｂ，２ｃに出力される。この振動子駆動部をなす回路は、いわゆる移相発振回路を構成しており、これにより振動子１を自励振動させている。
【００４８】
ここで、圧電素子２の分極方向が図３に示すように、圧電素子２と基体素子３とを積層している方向である矢印Ｚ2の方向であることから、振動子１は、圧電素子２は長手方向に伸縮することになり、これにより、振動子１は、振動子１の長手方向と垂直方向である図２に示す矢印Ｚ1の方向に振動する。
【００４９】
また、検出部においては、圧電素子２の上面電極２ｂ，２ｃからの出力（Ｓ＋，Ｓ−）はそれぞれ差動増幅器７に入力され、ここでその差動が取られる。
【００５０】
なお、圧電素子２の裏面電極２ｄは、中点基準電位と接続する。ここで、振動子１は、基体素子３の下面電極３ｄが中点基準電位Ｃに接続されることになる。すなわち、振動子１は、圧電素子２の裏面電極２ｄが基体素子３の接合面電極３ｂを介して中点基準電位Ｃに接続されている。
【００５１】
そして、角速度センサは、振動子１を振動方向に振動させているときに、振動子１が回転することにより当該振動子１に生じたコリオリ力を、圧電素子２により検出し、それらの差動を差動増幅器７により得ている。そして、差動増幅器７から出力は、同期検波器８に入力され、ここで同期検波が行われる。このとき、同期検波器８には、同期検波を行うために、加算器４からの出力が同期信号として供給される。そして、同期検波器８からの出力が、ローパスフィルタ９を介して、振動子１に生じたコリオリ力を検出することにより得られた角速度信号として出力される。
【００５２】
以上のような構成を有することにより、角速度センサは、振動子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、角速度センサは、振動子駆動機能により振動させているときに振動子１が回転することによって生じたコリオリ力の検出機能により角速度を感度良く検出することができる。
【００５３】
さらに、上述したように、圧電素子２と基体素子３とが積層される方向において、圧電素子２の厚さを基体素子３の厚さより薄くすることにより、圧電素子の分極処理と振動子１の低電圧駆動を容易にすることができる。
【００５４】
また、この角速度センサは、上述したように、圧電素子と基体素子を張り合わせた構造により四角柱振動子として構成されている。よって、角速度センサは、非常にシンプルな構造となり、これにより、恒弾性金属振動子に圧電素子を接着したり、従来のように曲面に電極を印刷するといった工程を要することなく振動子を製造することを可能にする。そして、振動子は、圧電体ウェハや基体ウェハに電極メッキを施すことにより電極を形成して張り合わせた後、個々の四角柱振動子として切り出すだけでといった工程により製造されるので、非常に精度が高く、超小型化が可能な上に量産効果も得やすい構造となる。そして、角速度センサは、圧電素子の接着位置ずれによる振動子のアンバランスなどの特性に与える影響も少なくすることができる。
【００５５】
また、上述したように構成された圧電素子２を有した場合、圧電素子２の下面電極２ｄからの電極の引き出しが必要とされるが、この下面電極２ｄと共通電極とされる基体素子３の裏面電極３ｂにより中点基準電位への引き出しが可能になり、圧電素子２と基体素子３とを張り合わせた状態であっても、圧電素子２に電圧を印加することができ、また、角速度を検出するための信号を取り出すことができる。これにより、振動子１のシンプルな構造を可能としている。
【００５６】
また、裏面電極３ｂにより中点基準電極への引き出しが可能になることにより、振動子１の振動動作への影響を少なくして、駆動電圧を印加することが可能になる。
【００５７】
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、振動子１の形状が四角柱であること、すでに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。
【００５８】
そして、角速度センサは、非常にシンプルな構造を有し、小型化を進めても、精度を損なわず、量産効果も期待でき、コストパフォーマンスが高く、高感度のものとなる。また、角速度センサの低コスト化、小型化、高感度は、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置等のさらなる小型化・ハイコストパフォーマンスの要求に応えるものとなる。
【００５９】
なお、角速度センサは、分極方向を逆にすると回転方向に対する出力の正負が反転するが動作上は問題がない。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係る角速度センサは、圧電素子と基体素子とを積層するようにして接合することで四角柱状の振動子を構成し、基体素子への圧電素子の積層により、圧電素子の第２の圧電素子電極と基体素子の第１の基体素子電極とを電気的に接続し、角速度の検出を、上記圧電素子の第１の圧電素子電極と上記基体素子の第３の基体素子電極との間に電圧を印加することにより、圧電素子を駆動して振動子を振動させ、同時にコリオリ力を検出する。
【００６１】
これにより、角速度センサは、非常にシンプルな構造により構成される。よって、角速度センサは、小型化を進めても精度を損なわず量産効果も期待でき、コストパフォーマンスが高く、高感度の角速度センサとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した角速度センサの構成を示す正面図である。
【図２】角速度センサの構成を示す斜視図である。
【図３】角速度センサの構成を示す側面図である。
【図４】角速度センサの振動子の製造工程を説明するために用いた図である。
【図５】従来の角速度センサの一例を示す図であり、（ａ）は当該角速度センサの全体構成を示す図であり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図である。
【図６】従来の角速度センサの他の例を示す図であり、（ａ）は当該角速度センサの全体構成を示す図であり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 振動子、２ 圧電素子、２ａ 圧電体、２ｂ 上面電極２ｃ，２ｄ 下面電極、３ 基体素子、３ａ 基体、３ｂ 裏面電極、３ｃ 端面電極、３ｄ 接合面電極
【発明の属する技術分野】
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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、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。
【０００３】
このような角速度センサにおいて、振動子を駆動する方法としては、他励発振型駆動回路による方法と、自励発振型駆動回路による方法とがある。しかしながら、他励発振型駆動回路による方法は、振動子等の温度特性によって発振周波数と振動子の共振周波数とにずれが生じると急激にコリオリ力の検出感度が低下するという問題があり、実用化に至っていない。
【０００４】
そこで、現在は、図５又は図６に示すように、移相発振回路のループに振動子を組み入れた自励発振型駆動回路による角速度センサが一般的になっている。このような角速度センサでは、振動子の共振周波数で自励発振するので、温度特性による感度変化が少なく、広温度範囲において感度の安定した角速度出力を得ることができる。
【０００５】
図５に示す従来の角速度センサは、三角柱状の恒弾性振動子１００の側面に、電極１０１ａ及び圧電体１０１ｂからなる第１の圧電素子１０１と、電極１０２ａ及び圧電体１０２ｂからなる第２の圧電素子１０２と、電極１０３ａ及び圧電体１０３ｂからなる第３の圧電素子１０３とがそれぞれ取り付けられた三角柱状の振動子１０４を備えている。例えば、恒弾性振動子１００は、恒弾性金属振動子である。
【０００６】
また、この従来の角速度センサは、第１の圧電素子１０１に接続された増幅器１０５と、増幅器１０５に接続された移相器１０６と、第２の圧電素子１０２及び第３の圧電素子１０３に接続された差動増幅器１０７と、差動増幅器１０７に接続された同期検波器１０８と、同期検波器１０８に接続されたローパスフィルタ１０９とを備えている。この従来の角速度センサにおいて、第２の圧電素子１０２及び第３の圧電素子１０３は、自励発振のために振動子１０４の振動を検出するとともに、振動子１０４に生じるコリオリ力を検出する。
【０００７】
このような三角柱状の振動子１０４を用いた角速度センサは、現在のところ最も感度が高く、主流となっている。しかしながら、このような角速度センサでは、構造が複雑なために、製造工程における量産効果を出すことが難しいという問題があった。例えば、三角形状に形成されている恒弾性振動子の一つ一つに圧電素子を接着する工程が必要になり、量産効果を出すことができないといった問題がある。また、小型化に伴い支持機構の精度や恒弾性金属振動子への圧電素子の接着精度が要求され、且つその接着による接着層の当該振動子に与える影響が増大するため、小型化による生産効率が悪く、コストアップが著しくなるという問題があった。
【０００８】
また、図６に示す従来の角速度センサは、円柱状の圧電セラミック振動子１１０の側面に６つの電極１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６が印刷された振動子１１７を備えている。ここで、第１乃至第３の電極１１１，１１２，１１３はそれぞれ独立した電極とされ、第４乃至第５の電極１１４，１１５，１１６は共通のグランド電位に接続される。また、この角速度センサは、第１の電極１１１に接続された増幅器１１８と、増幅器１１８に接続された移相器１１９と、移相器１１９に接続された加算機１２０と、第２及び第３の電極１１２，１１３に接続された差動増幅器１２１と、差動増幅器１２１に接続された同期検波器１２２と、同期検波器１２２に接続されたローパスフィルタ１２３とを備えている。この角速度センサでは、第１の電極１１１に電圧を印加することにより、振動子１１７を振動させるとともに、第２及び第３の電極１１２，１１３によって、振動子１１７に生じるコリオリ力を検出する。
【０００９】
この従来の角速度センサでは、上述したように電極１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６を振動子１１７に印刷しているために、振動子１１７に圧電素子を接着する必要がなく、比較的にシンプルな構造となっている。しかしながら、この従来の角速度センサでは、特に小型化を図った場合に、圧電セラミック振動子１１０の製造、並びに当該圧電セラミック振動子１１０への電極の印刷を精度良く行うことが難しいという問題があった。
【００１０】
すなわち、この従来の角速度センサでは、円柱状の圧電セラミック振動子１１０を用いているが、三角柱状や四角柱状のものに比べて、円柱状の圧電セラミック振動子１１０を精度良く製造することは難しい。しかも、この角速度センサでは、曲面上に電極を精度良く印刷することは容易ではない。
【００１１】
このように、この角速度センサでは、円柱状の圧電セラミック振動子１１０を用いるために製造が難しく、量産効果が期待できない構造となっており、たとえ量産したとしても低コスト化を図ることは難しい。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、他励発振型駆動回路による方法では、温度特性による感度変化が問題となる。そして、この問題を解決するために、自励発振型駆動回路を採用した角速度センサが提案されているが、これら従来の角速度センサにおいても、上述したように様々な問題が残されている。
【００１３】
すなわち、図５に示したような従来の角速度センサでは、恒弾性金属振動子への圧電素子の接着や振動子支持機構などの構造が複雑になってしまう。また、図６に示すような従来の角速度センサでは、円柱状の圧電セラミック振動子を用いるため、振動子１１０を精度良く製造することは難しく、しかも、曲面上に電極を精度良く印刷することは容易ではない。
【００１４】
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も比較的容易に満足できる検出感度に優れた角速度センサを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る角速度センサは、板状の圧電体の一方の面に長手方向に第１の圧電素子電極が形成され、上記圧電体の上記一方の面に対向する他方の面の全面に第２の圧電素子電極が形成された圧電素子と、断面形状が略矩形の基体の上記圧電素子の他方の面と対向する接合面に第１の基体素子電極が形成され、上記基体の長手方向の上記接合面と隣り合う端面に第２の基体素子電極が形成され、上記基体の上記接合面との対向面に第３の基体素子電極が形成され、上記第１乃至第３の基体素子電極が一体に形成された基体素子とを備える。上記圧電素子と上記基体素子とは、上記第２の圧電素子電極と上記基体素子の第１の基体素子電極とを接合積層して振動子を構成する。この角速度センサは、角速度の検出を、上記圧電素子の第１の圧電素子電極と上記基体素子の第３の基体素子電極との間に電圧を印加して行う。
【００１６】
本発明に係る角速度センサは、圧電素子と基体素子とを積層するようにして接合することで四角柱状の振動子を構成する。基体素子への圧電素子の積層により、圧電素子の第２の圧電素子電極と基体素子の第１の基体素子電極とが電気的に接続される。そして、この角速度センサは、角速度の検出を、上記圧電素子の第１の圧電素子電極と上記基体素子の第３の基体素子電極との間に電圧を印加することにより、圧電素子を駆動して振動子を振動させ、同時にコリオリ力を検出する。
【００１７】
そして、本発明に係る角速度センサは、圧電素子と基体素子を張り合わせた構造の四角柱状の振動子を構成していることから、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工程を要することなく製造される。さらに、振動子は、圧電体の母材とされるウェハ及び基体の母材とされるウェハに電極メッキを施すことにより電極を形成して張り合わせた後、四角柱形状に個々に切り出すだけといった工程により製造可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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いうまでもない。
【００１９】
本発明を適用した角速度センサの一例について、図１乃至図３にその基本構成を示す。この角速度センサは、振動ジャイロとして動作する振動子１を備えている。
【００２０】
この角速度センサは、圧電体２ａと、この圧電体２ａの対向される面に配置されている第１の圧電素子電極を構成する電極（以下、上面電極という。）２ｂ，２ｃ、及び第２の圧電素子電極である電極（以下、下面電極という。）２ｄとからなる断面略矩形の圧電素子２と、基体３ａと、この基体３ａの面に一体にされて配置されている第１乃至第３の基体素子電極を構成する各電極３ｂ，３ｃ，３ｄとからなる断面略矩形の基体素子３とを積層してなる略四角柱状の振動子１を備えている。そして、振動子１は、第２の圧電素子電極となる下面電極２ｄと基体３ａの第１の基体素子電極となる電極３ｄとが接合されて、積層構造とされている。
【００２１】
この角速度センサは、第１の圧電体電極を構成する上面電極２ｂ，２ｃと、基体素子３の振動子１との接合面と対向する対向面に配置されている第３の基体素子電極となる電極３ｂとの間に電圧を印加して、圧電素子２により振動子１を振動させるとともに、振動子１に生じるコリオリ力を圧電素子２により角速度を検出する。
【００２２】
次に、角速度センサの構成部について詳しく説明する。
【００２３】
基体素子３は、基体３ａと、電極３ｂ，３ｃ，３ｄとを備えている。基体素子３は、基体３ａの表面上に、一体とされて形成された電極３ｂ，３ｃ，３ｄが配置されている。
【００２４】
基体３ａは、断面略矩形の柱状の形状をなしている。この基体３ａは、圧電素子２の圧電体２ａに用いている圧電材料と同一材料によりなる。例えば、圧電材料として圧電セラミック材料であるＰＺＴが用いられている。
【００２５】
電極３ｄは、基体３ａにおいて圧電素子２との接合面に配置されている第１の基体素子電極である。すなわち、電極３ｄは、圧電素子２と基体素子３とが接合された状態において、圧電素子２の第２の圧電素子電極である下面電極２ｄと電気的に接続されている。以後、電極３ｄを接合面電極３ｄという。
【００２６】
電極３ｃは、基体３ａの長手方向の各端面に配置されている第２の基体素子電極である。以後、電極３ｃを端面電極３ｃという。
【００２７】
電極３ｂは、基体３ａにおいて、接合面電極３ｄが配置されている面と対向する対向面に配置されている第３の基体素子電極である。以後、電極３ｂを裏面電極３ｂという。
【００２８】
このように基体３ａの各面に配置されている電極３ｂ，３ｃ，３ｄは、各々隣合う面の電極と一体となっている。すなわち、電極３ｂ，３ｃ，３ｄは、電気的に一体とされた電極を構成している。例えば、相対向する面に配置されている接合面電極３ｄと裏面電極３ｂは、端面電極３ｃにより電気的に接続されている。すなわち、これにより、接合面電極３ｄが圧電素子２の下面電極２ｄと電気的に接続された状態とされていることから、圧電素子２の下面電極２ｄと基体素子３の電極３ｂ，３ｃ，３ｄとは、結果的に共通電極として働く。
【００２９】
例えば、電極３ｂ，３ｃ，３ｄは、基体３ａに電極メッキを施すことにより、基体３ａの表面に一体とされて形成される。
【００３０】
圧電素子２は、圧電体２ａと、その各面に配置されている電極２ｂ，２ｃ，２ｄとを備えている。
【００３１】
圧電体２ａは、圧電材料により断面略矩形の板状の形状をなしている。この圧電材料２は、上述した基体素子３の基体３ａと同一材料を用いて形成されており、例えば、圧電セラミック材料であるＰＺＴにより形成されている。通常、分極処理により、この圧電体２ａは生成されている。このように圧電体２ａ及び基体３ａに同一材料を用いることにより、例えば、振動子１としての熱的、音響的又は構造的な信頼性及び加工性の向上を図ることができる。
【００３２】
上面電極２ｂ，２ｃは、圧電体２ａの一方の面において、この圧電体２ａの長手方向に分割された一対の第１の圧電素子電極として構成されている。
【００３３】
下面電極２ｄは、上面電極２ｂ，２ｃに対向している他方の面に配置されている第２の圧電素子電極である。この下面電極２ｄは、上述したように、圧電素子２と基体素子３が接合された状態において、基体素子３の接合面電極３ｄと電気的に接続されている。すなわち、下面電極２ｄは、接合面電極３ｄとの電気的接続により、基体素子３の長手方向の端面に配置されている端面電極３ｃと、さらには接合面電極３ｄが形成された接合面と対向する対向面の裏面電極３ｂと電気的に接続される。
【００３４】
以上のように振動子１を構成する圧電素子２及び基体素子３が構成されている。次に振動子１の製造工程について図４を用いて説明する。
【００３５】
まず、基体素子３の部分に対応して、基体３ａの母材となるウェハ（以下、基体ウェハという。）に電極メッキを施し、また、圧電素子２の部分に対応して、圧電体２ａの母材となるウェハ（以下、圧電体ウェハという。）に電極メッキを施す。
【００３６】
図４（Ａ）に示すように、各ウェハ（圧電ウェハ２0、基体ウェハ３0）は、例えば、略平板状であって、各ウェハへの電極メッキ処理は、下地としてＮｉメッキを施した後、電極メッキとして金メッキを施すことにより行う。基体ウェハ３0についての塗布は、各ウェハの表面全体について、すなわち全ての面についてなされる。このような電極メッキが、圧電素子２及び基体素子３において各電極を構成するものとなる。
【００３７】
具体的には、圧電ウェハ２0の厚さは、基体ウェハ３0の厚ささより薄く、例えば、圧電ウェハ２0の厚さを０．２ｍｍ、基体ウェハ３0の厚さを０．８ｍｍとしている。
【００３８】
また、圧電素子２の分極処理については、厚みを０．２ｍｍの圧電ウェハの状態で、金メッキを施し、１２０℃恒温槽中で６００Ｖ、３０分の条件で分極している。
【００３９】
そして、図４（Ａ）から（Ｂ）に示すように、この電極メッキが施された圧電ウェハ２0と基体ウェハ３0を張り合わせて、積層構造とする。
具体的には、予め金メッキを施した圧電素子２と基体素子３は、幅１２ｍｍのウェハの状態で熱硬化性樹脂接着剤で接着する。
【００４０】
この積層構造とされたものについて、図４（Ｂ）中の矢印Ａ−Ａの方向に、四角柱の形状として個々に切り出しを行う。例えば、この切り出しの際に、圧電ウェハ２0の電極メッキ面２bc0に対してスリットを入れて、上面電極２ｂ、２ｃを形成する加工を行う。
【００４１】
この個々の切り出しにより、図４（Ｃ）に示すように、振動子１ができる。すなわち、上面電極２ｂ，２ｃが形成された圧電素子２と、端面電極３ｃ及び裏面電極３ｂが形成された基体素子３とからなり、圧電素子２と基体素子３との接合面において電気的に接続された振動子１ができる。
【００４２】
例えば、基体素子３に形成される端面電極３ｃ及び裏面電極３ｂについていえば、電極メッキした各ウェハを張り合わせ接合し、その後に切り出し加工することのみにより、圧電素子２に電気的に接続された接合面電極３ｄと一体とされて形成されるといったように、形成が容易になされる。
【００４３】
振動子１は、例えば、１．０ｍｍ×１．０ｍｍの断面形状、長さが１２ｍｍを有した振動子として製造される。そして、振動子１は、圧電素子２の厚さが基体素子３の厚さより薄くなされた構造となる。
【００４４】
ここで、圧電体ウェハと基体ウェハは、同一材料とすることにより、加工が容易になる。また、圧電素子２を薄くすることで、分極処理、振動子の低電圧駆動が容易になる。
【００４５】
角速度センサは、以上のような構成からなる振動子１を振動させるためとコリオリ力を検出するための回路として、加算器４と、増幅器５と、位相器６と、差動増幅器７と、同期検波器８と、ローパスフィルタ９とを備えている。
【００４６】
具体的には、角速度センサは、加算器４と、増幅器５と、位相器６と、圧電素子２の上面電極２ｂ，２ｃとから、振動子１を振動させる振動駆動部を構成している。また、角速度センサは、差動増幅器７と、加算器４の出力に接続されている同期検波器８と、ローパスフィルタ９と、圧電素子２の上面電極２ｂ，２ｃとから、振動子１の振動時のコリオリ力を検出する検出部を構成している。
【００４７】
圧電素子２から出力された信号の流れに沿って詳しく説明すると、振動駆動部においては、圧電素子２の電極２ｂ，２ｃの出力（Ｓ＋，Ｓ−）が加算器４に入力され、それらの加算値がこの加算器４により取られる。そして、加算器４からの出力は、増幅器５に入力され、ここで入力信号の増幅が行われる。そして、増幅器５からの出力が、移相器６によりその位相が推移され、上面電極２ｂ，２ｃに出力される。この振動子駆動部をなす回路は、いわゆる移相発振回路を構成しており、これにより振動子１を自励振動させている。
【００４８】
ここで、圧電素子２の分極方向が図３に示すように、圧電素子２と基体素子３とを積層している方向である矢印Ｚ2の方向であることから、振動子１は、圧電素子２は長手方向に伸縮することになり、これにより、振動子１は、振動子１の長手方向と垂直方向である図２に示す矢印Ｚ1の方向に振動する。
【００４９】
また、検出部においては、圧電素子２の上面電極２ｂ，２ｃからの出力（Ｓ＋，Ｓ−）はそれぞれ差動増幅器７に入力され、ここでその差動が取られる。
【００５０】
なお、圧電素子２の裏面電極２ｄは、中点基準電位と接続する。ここで、振動子１は、基体素子３の下面電極３ｄが中点基準電位Ｃに接続されることになる。すなわち、振動子１は、圧電素子２の裏面電極２ｄが基体素子３の接合面電極３ｂを介して中点基準電位Ｃに接続されている。
【００５１】
そして、角速度センサは、振動子１を振動方向に振動させているときに、振動子１が回転することにより当該振動子１に生じたコリオリ力を、圧電素子２により検出し、それらの差動を差動増幅器７により得ている。そして、差動増幅器７から出力は、同期検波器８に入力され、ここで同期検波が行われる。このとき、同期検波器８には、同期検波を行うために、加算器４からの出力が同期信号として供給される。そして、同期検波器８からの出力が、ローパスフィルタ９を介して、振動子１に生じたコリオリ力を検出することにより得られた角速度信号として出力される。
【００５２】
以上のような構成を有することにより、角速度センサは、振動子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、角速度センサは、振動子駆動機能により振動させているときに振動子１が回転することによって生じたコリオリ力の検出機能により角速度を感度良く検出することができる。
【００５３】
さらに、上述したように、圧電素子２と基体素子３とが積層される方向において、圧電素子２の厚さを基体素子３の厚さより薄くすることにより、圧電素子の分極処理と振動子１の低電圧駆動を容易にすることができる。
【００５４】
また、この角速度センサは、上述したように、圧電素子と基体素子を張り合わせた構造により四角柱振動子として構成されている。よって、角速度センサは、非常にシンプルな構造となり、これにより、恒弾性金属振動子に圧電素子を接着したり、従来のように曲面に電極を印刷するといった工程を要することなく振動子を製造することを可能にする。そして、振動子は、圧電体ウェハや基体ウェハに電極メッキを施すことにより電極を形成して張り合わせた後、個々の四角柱振動子として切り出すだけでといった工程により製造されるので、非常に精度が高く、超小型化が可能な上に量産効果も得やすい構造となる。そして、角速度センサは、圧電素子の接着位置ずれによる振動子のアンバランスなどの特性に与える影響も少なくすることができる。
【００５５】
また、上述したように構成された圧電素子２を有した場合、圧電素子２の下面電極２ｄからの電極の引き出しが必要とされるが、この下面電極２ｄと共通電極とされる基体素子３の裏面電極３ｂにより中点基準電位への引き出しが可能になり、圧電素子２と基体素子３とを張り合わせた状態であっても、圧電素子２に電圧を印加することができ、また、角速度を検出するための信号を取り出すことができる。これにより、振動子１のシンプルな構造を可能としている。
【００５６】
また、裏面電極３ｂにより中点基準電極への引き出しが可能になることにより、振動子１の振動動作への影響を少なくして、駆動電圧を印加することが可能になる。
【００５７】
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、振動子１の形状が四角柱であること、すでに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。
【００５８】
そして、角速度センサは、非常にシンプルな構造を有し、小型化を進めても、精度を損なわず、量産効果も期待でき、コストパフォーマンスが高く、高感度のものとなる。また、角速度センサの低コスト化、小型化、高感度は、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置等のさらなる小型化・ハイコストパフォーマンスの要求に応えるものとなる。
【００５９】
なお、角速度センサは、分極方向を逆にすると回転方向に対する出力の正負が反転するが動作上は問題がない。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係る角速度センサは、圧電素子と基体素子とを積層するようにして接合することで四角柱状の振動子を構成し、基体素子への圧電素子の積層により、圧電素子の第２の圧電素子電極と基体素子の第１の基体素子電極とを電気的に接続し、角速度の検出を、上記圧電素子の第１の圧電素子電極と上記基体素子の第３の基体素子電極との間に電圧を印加することにより、圧電素子を駆動して振動子を振動させ、同時にコリオリ力を検出する。
【００６１】
これにより、角速度センサは、非常にシンプルな構造により構成される。よって、角速度センサは、小型化を進めても精度を損なわず量産効果も期待でき、コストパフォーマンスが高く、高感度の角速度センサとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した角速度センサの構成を示す正面図である。
【図２】角速度センサの構成を示す斜視図である。
【図３】角速度センサの構成を示す側面図である。
【図４】角速度センサの振動子の製造工程を説明するために用いた図である。
【図５】従来の角速度センサの一例を示す図であり、（ａ）は当該角速度センサの全体構成を示す図であり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図である。
【図６】従来の角速度センサの他の例を示す図であり、（ａ）は当該角速度センサの全体構成を示す図であり、（ｂ）は振動子の部分を示す斜視図であり、（ｃ）は振動子の中央部分における断面を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 振動子、２ 圧電素子、２ａ 圧電体、２ｂ 上面電極２ｃ，２ｄ 下面電極、３ 基体素子、３ａ 基体、３ｂ 裏面電極、３ｃ 端面電極、３ｄ 接合面電極
Claims (4)
- 板状の圧電体の一方の面に長手方向に第１の圧電素子電極が形成され、上記圧電体の上記一方の面に対向する他方の面の全面に第２の圧電素子電極が形成された圧電素子と、
断面形状が略矩形の基体の上記圧電素子の他方の面と対向する接合面に第１の基体素子電極が形成され、上記基体の長手方向の上記接合面と隣り合う端面に第２の基体素子電極が形成され、上記基体の上記接合面との対向面に第３の基体素子電極が形成され、上記第１乃至第３の基体素子電極が一体に形成された基体素子とを備え、
上記圧電素子と上記基体素子とは、上記第２の圧電素子電極と上記基体素子の第１の基体素子電極とを接合積層して振動子を構成し、
角速度の検出を、上記圧電素子の第１の圧電素子電極と上記基体素子の第３の基体素子電極との間に電圧を印加して行う角速度センサ。 - 上記基体は、上記圧電体と同一の圧電材料でなる請求項１記載の角速度センサ。
- 上記圧電素子の積層した方向の厚さは、上記基体素子の積層した方向の厚さより薄い請求項１記載の角速度センサ。
- 上記第１の圧電素子電極は、長手方向に分割されている請求項１記載の角速度センサ。
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