JPH11344341A

JPH11344341A - 平行平板型振動ジャイロ及び平行平板型振動ジャイロ装置

Info

Publication number: JPH11344341A
Application number: JP10149099A
Authority: JP
Inventors: Fumito Arai; 史人新井; Toshio Fukuda; 敏男福田; Koichi Itoigawa; 貢一糸魚川; Hitoshi Iwata; 仁岩田
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-12-14
Also published as: US6140739A

Abstract

(57)【要約】【課題】検出部である平行平板部の変形時に、平行平板
部の側面の各部において伸び縮みが逆であっても発生電
圧が相殺されることがなく、大きな圧電信号を得ること
ができる平行平板型振動ジャイロ及び平行平板型振動ジ
ャイロ装置を提供する。【解決手段】振動ジャイロ１のステンレス製の基材４
は、四角柱をなし、同基材４の上下両部には、互いに直
交する貫通孔１０，７が穿設され、平行平板部３，２が
構成されている。平行平板部２，３の外側面には、スパ
ッタリング等によって、チタン膜１３が形成され、チタ
ン膜１３の外面全体にはＰＺＴ薄膜１４が形成され、そ
のＰＺＴ薄膜１４上にはアルミニウムからなる厚さ数μ
ｍを有する互いに同面積の第１電極膜１５〜第４電極膜
１８がそれぞれ上下一対形成されている。第１電極膜１
５、第２電極膜１６を分離して電極膜の面積を従来より
も小さくし、発生電圧（圧電電圧）を大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は平行平板型振動ジャイロ
及び高検出感度を備えた平行平板型振動ジャイロ装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロスコープ（以下、振
動ジャイロという）としては、図１３に示す音叉型、図
１４に示す音片型が知られている。

【０００３】音叉型の振動ジャイロ２１は、図１３に示
すように連結板２２の両端に一対の駆動用圧電セラミッ
クス板２３が、互いに平行に立設され、その平面が図に
おいてＸ方向に向くように配置されている。又、駆動用
圧電セラミック板２３の上端の中心上において、検出用
圧電セラミックス板２４が一体に立設され、その平面が
図において、Ｙ方向に向くように配置されている。な
お、Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交している。そして、
下方の駆動用圧電セラミックス板２３に交番電圧を印加
することにより、同圧電セラミックス板２３をＸ，反Ｘ
方向へ振動させる。この振動状態で、振動ジャイロ２１
にＺ軸回りの回転が加わったときに、検出用圧電セラミ
ックス２４が歪み、そのときに生ずる電圧を検出するこ
とにより、検出用圧電セラミックス２４に働いた力を検
知することが可能となる。この力は、コリオリの力Ｆｃ
といい、一般に、次式で表される。

【０００４】Ｆｃ＝２ｍＶ×ω …（１）なお、ｍは振動ジャイロ２１の質量、Ｖは振動ジャイロ
２１の振動速度、ωは振動ジャイロ２１のＺ軸回りの角
速度である。そして、前記質量ｍ、振動速度Ｖが既知で
あれば、角速度ωを導出することが可能となる。

【０００５】又、音片型の振動ジャイロ２５は、図１４
に示すように恒弾性金属からなる四角柱状の音片型振動
子２６を備え、同音片型振動子２６の互いに１８０度反
対側の側面に対して、一対の駆動用圧電セラミックス板
２７が貼着されている（図面上は、片方のみ図示）。
又、残りの両側面には、一対の検出用圧電セラミックス
板２８が貼着されている（図面上は、片方のみ図示）。
そして、この振動ジャイロ２５は、駆動用圧電セラミッ
クス板２７に交番電圧を印加することにより、同圧電セ
ラミックス板２７にて音片型振動子２６をＸ，反Ｘ方向
へ振動させる。この状態で、振動ジャイロ２６にＺ軸回
りの回転が加わったときに、検出用圧電セラミックス２
８が歪み、そのときに生ずる電圧を検出することによ
り、検出用圧電セラミックス２８に働いたコリオリの力
を検出することが可能となる。

【０００６】ところで、上記の駆動用圧電セラミックス
板２３，２７、検出用圧電セラミックス板２４，２８に
は、バルクのＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛：チタン酸
鉛，ジルコン酸鉛の固溶体からなるセラミックス）が使
用されている。

【０００７】ところが、上記のようなバルクのＰＺＴ
は、バルクそのものの薄形化が難しく、振動ジャイロ全
体の小型化が難しい問題があった。又、音片型の振動ジ
ャイロのように、圧電セラミックス板を貼着して振動ジ
ャイロを構成する場合、貼着工程が多くなるとともに、
接着精度、すなわち、位置精度が悪い問題があり、従っ
て、検出感度等に影響を及ぼし、均質なものを精度よく
製造することは難しい問題があった。

【０００８】さらに、振動子が三次元構造体の場合は、
任意の場所にバルクのＰＺＴを取付けることが困難な場
合があり、取付け場所が限られる問題がある。又、コリ
オリの力Ｆｃは、上記（１）式に示すように、振動ジャ
イロの質量ｍを大きくすれば、コリオリの力が大きくな
り、この結果、検出用圧電セラミックスの歪み量が増大
して、検出電圧も大きくなる。すなわち検出感度が上が
ることになる。このため、振動ジャイロの質量は大きい
方が検出感度を得るためには好ましい。ところが、バル
クのＰＺＴを用いた振動ジャイロの場合、バルクのＰＺ
Ｔを構成する基材を大きくしないと、質量が大きくでき
ない問題があり、検出感度を上げるには限界がある。

【０００９】又、コリオリの力Ｆｃは、上記（１）式に
示すように、振動速度Ｖを大きくすれば、コリオリの力
が大きくなり、この結果、検出用圧電セラミックの歪み
量が増大して、検出電圧も大きくなって検出感度も上が
る。しかし、振動速度を大きくするために、例えば、音
叉型の振動ジャイロの場合、バルクのＰＺＴの基材を薄
くすると、剛性が低くなるため、捩じれ易くなり、正確
に振動しなかったり、検出用圧電素子の検出のための歪
みもねじれが加わった状態となって正確な検出ができな
い問題が生ずる。

【００１０】そこで、出願人は、小型化が可能で、捩じ
れに強く、検出感度を上げることができる振動ジャイロ
３１として、図１０の構造のものを提案している。振動
ジャイロは、４角柱状をなす弾性金属３０の下端（固定
端）側と、上端（自由端）側とにそれぞれ互いに直交す
る貫通孔３４，３５を設けて、第１平行平板部３２と、
第２平行平板部３３を形成している。前記第１平行平板
部３２及び第２平行平板部３３の外表面には、図１１に
示すようにチタン膜３８を形成し、同チタン膜３８上に
ＰＺＴ薄膜３６を形成している。そして、前記第１平行
平板部３２側を振動を付与するための駆動部とし、第２
平行平板部３３側を検出部としている。

【００１１】上記のような構成の振動ジャイロ３１は、
図１０に示すようにＰＺＴ薄膜３６上において、そのＰ
ＺＴ薄膜３６の大きさよりも若干小さくなる程度にさら
にアルミニウム等で平板状の電極３７を形成し、その電
極３７にリード線（図示しない）を直接接続して、駆動
部である第１平行平板部３２には、電圧を印加して、振
動を付与し、検出部である第２平行平板部３３では、Ｐ
ＺＴ薄膜で生じた電圧を前記電極３７に直接接続したリ
ード線（図示しない）を介して検出するようにしてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記の構成によると、
検出部である第２平行平板部３３が変形する場合、その
変形は図１２に示すように波形となる。

【００１３】ところが、第２平行平板部３３の上側と、
下側とでＰＺＴ薄膜３６の伸び縮みが逆となるため、上
下両側部のそれぞれの変形によって得られる各部分の発
生電圧が逆となる。この結果、図１０に示すようにＰＺ
Ｔ薄膜３６の上側と、下側との伸び縮みが逆となる部分
に共通の電極３７が設けられていると、その発生電圧が
相殺され、電極３７から得られる出力が十分に得られな
い問題があった。

【００１４】本発明は上記の課題を解消するためになさ
れたものであり、検出部である平行平板部の変形時に、
平行平板部の側面の各部において伸び縮みが逆であって
も発生電圧が相殺されることがなく、大きな圧電信号を
得ることができる平行平板型振動ジャイロ及び平行平板
型振動ジャイロ装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、周方向に亘って第１乃
至第４側面を有し、第１側面と第３側面、第２側面と第
４側面とは、互いに１８０度反対位置に位置する四角柱
状の弾性金属を備え、その弾性金属の固定端部側には、
第１側面から第３側面まで貫通する貫通孔が形成され
て、第２側面と第４側面を含むそれぞれの平板部にて第
１平行平板部が形成され、前記弾性金属の自由端部側に
は、第２側面から第４側面まで貫通する貫通孔が形成さ
れて、第１側面と第３側面を含むそれぞれの平板部にて
第２平行平板部が形成され、第１平行平板部の第２側面
と第４側面、及び第２平行平板部の第１側面と第３側面
とには、それぞれ強誘電体膜が形成され、第２平行平板
部の各強誘電体膜上において、同強誘電体膜の伸び縮み
変形時に互いに逆変形となる部分に対応してそれぞれ第
１電極及び第２電極が設けられ、第１平行平板部の各強
誘電体膜上において、電極がそれぞれ設けられている平
行平板型振動ジャイロをその要旨とするものである。

【００１６】請求項２の発明は、請求項１において、第
１平行平板部の各強誘電体膜上において、同強誘電体膜
の伸び縮み変形時に互いに逆変形となる部分に対応して
それぞれ第３電極及び第４電極が設けられている平行平
板型振動ジャイロを要旨とするものである。

【００１７】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
において、前記第１電極及び第２電極は、弾性金属にお
ける変形時の最大応力集中箇所に対応した強誘電体薄膜
上に配置されている平行平板型振動ジャイロをその要旨
とするものである。

【００１８】請求項４の発明は請求項１乃至請求項３の
うちいずれかにおいて、前記第１平行平板部の第２側面
と第４側面、及び第２平行平板部の第１側面と第３側面
とにはチタンにて形成されたベース面が形成され、前記
強誘電体薄膜は、同ベース面上に形成されたＰＺＴ薄膜
である平行平板型振動ジャイロをその要旨とするもので
ある。

【００１９】請求項５は、前記請求項２に記載の平行平
板型振動ジャイロを備えた装置であって、所定の周波数
で発振信号を出力する発振回路と、前記発振信号を反転
し、第１平行平板部の第２側面及び第４側面の各第３電
極に前記発振信号に基づく電圧信号を印加する反転回路
と、前記発振信号を反転しないで、第１平行平板部の第
２側面及び第４側面の各第４電極に対して発振信号に基
づく電圧信号を印加する非反転回路と、第２平行平板部
の第１側面の第１電極と第３側面の第２電極からの検出
信号の差を取り、両電極の検出信号の差に係る信号を出
力する第１差動回路と、第２平行平板部の第１側面の第
２電極と第３側面の第１電極からの検出信号の差を取
り、両電極の検出信号の差に係る信号を出力する第２差
動回路と、前記第１差動回路と第２差動回路からの両信
号を加算し、その加算結果を出力する加算回路とを備え
た平行平板型振動ジャイロ装置を要旨とするものであ
る。（作用）請求項１に記載の発明によると、振動ジャイロ
の検出部となる第２平行平板部では、第２平行平板部の
第１側面と第３側面の強誘電体膜上に、同強誘電体膜の
伸び縮み変形時に互いに逆変形となる部分に対応してそ
れぞれ第１電極及び第２電極が設けられているため、そ
れぞれの電極にて、強誘電体膜の伸びによる圧電信号、
及び縮みによる圧電信号が得られる。

【００２０】又、請求項２に記載の発明によれば、振動
ジャイロの駆動部となる第１平行平板部では、第１平行
平板部の第２側面と第４側面の強誘電体膜上に、同強誘
電体膜の伸び縮み変形時に互いに逆変形となる部分に対
応してそれぞれ第３電極及び第４電極が設けられている
ため、それぞれの電極を介して、互いに逆極性の交番電
圧を印加することにより、第１平行平板部を振動するこ
とができる。

【００２１】請求項３の発明によれば、弾性金属におけ
る変形時の最大応力集中箇所に対応した強誘電体薄膜上
に第１電極及び第２電極が配置されると、最大応力集中
箇所では、伸びと縮みが最も大きく発生するため、得ら
れる圧電電圧も大きなものとなる。

【００２２】請求項４の発明によれば、前記第１平行平
板部の第２側面と第４側面、及び第２平行平板部の第１
側面と第３側面とにはチタンにて形成されたベース面が
形成され、前記強誘電体薄膜は、同ベース面上に形成さ
れたＰＺＴ薄膜とすることにより、請求項１乃至請求項
３のうちいずれかに記載の作用を実現する。

【００２３】請求項５に記載の発明によれば、発振回路
は所定の周波数で発振信号を出力する。反転回路は前記
発振信号を反転し、第１平行平板部の第２側面及び第４
側面の各第３電極に印加する。又、非反転回路は、前記
発振信号を反転しないで、第１平行平板部の第２側面及
び第４側面の各第４電極に印加する。この結果、駆動部
である第１平行平板部が振動する。

【００２４】前記第１平行平板部の振動時に、平行平板
型ジャイロが軸心の回りに回転した場合、第１差動回路
は、第２平行平板部の第１側面の第１電極と第３側面の
第２電極からの検出信号の差を取り、両電極の検出信号
の差に係る信号を出力する。一方、第２差動回路は、第
２平行平板部の第１側面の第２電極と第３側面の第１電
極からの検出信号の差を取り、両電極の検出信号の差に
係る信号を出力する。加算回路は、前記第１差動回路と
第２差動回路からの両加算信号を加算し、その加算結果
を出力する。

【００２５】

【実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１乃至図９
を参照して説明する。図１は振動ジャイロ１の斜視図を
示している。なお、上記図面を含む各図面に図示されて
いる、チタン膜、電極膜、側板の厚みは、説明の便宜
上、実際のものより適宜拡大して図示されている。

【００２６】図１に示すように振動ジャイロ１は、四角
柱状をなし、平行平板部３，２を上下に備えている。前
記平行平板部３，２は、本発明の第２及び第１平行平板
部にそれぞれに相当する。

【００２７】図１に示すように、振動ジャイロ１の基材
４は、四角柱をなす弾性金属としてのステンレスから構
成されている。なお、本実施形態では、基材４の断面
は、正方形をなしている。基材４の断面形状は、正方形
で有るのが好ましいが、必ずしも正方形に限定されるも
のではない。基材４は、Ｘ方向側に向く面を第１側面５
とし、時計回り方向（周方向）にわたって第２側面６、
第３側面１０５及び第４側面１０６の順に配置されてい
る（図２参照）。

【００２８】なお、図２で表されている平行平板型振動
ジャイロ１は模式図であり、説明の便宜上、平行平板部
２と平行平板部３とは互いに９０°相対回転した状態で
示し、第１側面５と第２側面６とは同一方向に向くよう
に示されている。

【００２９】前記第１側面５と、第３側面１０５とは、
Ｚ軸を中心として、１８０度反対側に位置し、又、第２
側面６と、第４側面１０６とは同じくＺ軸を中心とし
て、１８０度反対側に位置している（なお、図１では第
１側面５と、第２側面６のみ図示されている。）。

【００３０】基材４の下部の第１側面５と、第３側面１
０５は、Ｘ軸方向に向かう断面四角形状をなす貫通孔７
が穿設されている。この貫通孔７により、基材４の下部
は、第２側面６、及び第４側面１０６をそれぞれ外側面
とした一対の側板８，９が形成されている。前記側板
８，９は平板部に相当する。前記側板８，９は、板厚が
数十〜数百μｍとされた薄肉部８ａ，９ａとされてい
る。そして、前記両側板８，９、及び貫通孔７とによ
り、基材４の下部は互いに平行に配置された平行平板構
造となっており、平行平板部２が構成されている。

【００３１】又、基材４の上部の第２側面６と、第４側
面１０６は、Ｙ軸方向に向かう断面四角形状をなす貫通
孔１０が穿設されている。この貫通孔１０により、基材
４の上部は、第１側面５、及び第３側面１０５をそれぞ
れ外側面とした一対の側板１１，１２が形成されてい
る。前記側板１１，１２は平板部に相当する。前記側板
１１，１２は、板厚が数十〜数百μｍとされた薄肉部１
１ａ，１２ａとされている。前記側板１１，１２は本発
明の平板部に相当する。前記側板１１，１２の板厚は、
前記平行平板部２の側板８，９と同一厚みとされてい
る。そして、前記両側板１１，１２、及び貫通孔１０と
により、基材４の上部は互いに平行に配置された平行平
板構造となっており、平行平板部３が構成されている。
そして、前記平行平板部２，３は互いに直交するように
配置されている。

【００３２】前記平行平板部２において第２側面６と第
４側面１０６、及び平行平板部３において第１側面５乃
至第３側面１０５には、スパッタリング等によって、チ
タン膜１３が形成されている（図５参照）。同チタン膜
１３により、ベース面が構成されている。同チタン膜１
３の表面全体には厚さ数十μｍのＰＺＴ薄膜１４（図６
参照）が形成されている。ＰＺＴ薄膜１４は、強誘電体
膜を構成する。

【００３３】図２に示すように、前記平行平板部３にお
ける第１側面５及び第３側面１０５のＰＺＴ薄膜１４上
には、アルミニウムからなる厚さ数μｍを有する互いに
同面積の第１電極膜１５、第２電極膜１６が上下方向に
一対形成されている（図１においては、第１側面５側の
み図示）。第１側面５においては、第１電極膜１５と第
２電極膜１６とは上下に配置されている。又、第３側面
１０５においては、第１側面５とは逆に第１電極膜１５
が下側に、第２電極膜１６が上側に配置されている（図
２参照）。

【００３４】これは、例えば平行平板部３が図７に示す
ように右側へ波形に変形した場合、同平行平板部３にお
ける第１側面５上のＰＺＴ薄膜１４の上側は伸び、下側
は縮む。一方、第３側面１０５上のＰＺＴ薄膜１４の上
側は縮み、下側は伸びる。この伸び・縮みが生ずるそれ
ぞれに部位に対応して第１電極膜１５、及び第２電極膜
１６とが配置されている。なお、図７では、ＰＺＴ薄膜
１４内において、矢印はＰＺＴ薄膜１４の分極方向を示
し、右下がりのハッチング部分は伸びている部分を示
し、左下がりのハッチング部分は縮み部分を示してい
る。

【００３５】又、前記平行平板部２における第２側面６
及び第４側面１０６のＰＺＴ薄膜１４上には、アルミニ
ウムからなる厚さ数μｍを有する互いに同面積の第３電
極膜１７、第４電極膜１８が上下方向に一対形成されて
いる（図１においては、第２側面６側のみ図示）。第２
側面６においては、第３電極膜１７と第４電極膜１８と
は上下に配置されている。又、第４側面１０６において
は、第２側面６とは逆に第３電極膜１７が下側に、第４
電極膜１８が上側に配置されている（図２参照）。

【００３６】これは、平行平板部２のＰＺＴ薄膜１４の
各電極膜１７，１８に互いに逆極性の電圧が印加された
際に、第３電極膜１７にて印加された部分、及び第４電
極膜１８にて印加された部分がそれぞれ同一の変形（伸
び又は縮み）を生ずるようにするためのものである。こ
のようにすることにより、駆動部である平行平板部２に
大きな変形を効率良く付与することができる。

【００３７】前記第１電極膜１５乃至第４電極膜１８
は、それぞれ第１電極乃至第４電極に相当する。又、前
記振動ジャイロ１において、本実施形態では下端部が固
定端部に相当し、上端部が自由端部に相当する。そし
て、平行平板部２は駆動部を構成し、平行平板部３は検
出部を構成する。

【００３８】次に、上記振動ジャイロ１の製造方法を図
２乃至図６を参照して説明する。図３は、基材４を示し
ている。ステンレスからなる基材４は、断面正方形をな
した四角柱状に形成されている。この基材４の上下両部
に対して、それぞれ互いに直交するように貫通孔７，１
０を形成する。この貫通孔７，１０の形成は、切削でも
よく、エッチングで行ってもよい。この貫通孔７を形成
することにより、図４に示すように基材４の下部は、第
２側面６、及び第４側面１０６がそれぞれ外側面とさ
れ、数十〜数百μｍの板厚を有する一対の側板８，９が
形成される。又、前記両側板８，９、及び貫通孔７とに
より、基材４の下部は側板８，９が互いに平行に配置さ
れた平行平板構造を有する平行平板部２が形成される。

【００３９】又、貫通孔１０を形成することにより、図
４に示すように基材４の上部は、第１側面５、及び第３
側面１０５がそれぞれ外側面とされ、数十〜数百μｍの
板厚を有する一対の側板１１，１２が形成される。又、
前記両側板１１，１２、及び貫通孔１０とにより、基材
４の上部は側板１１，１２が互いに平行に配置された平
行平板構造を有する平行平板部３が形成される。

【００４０】次に、この基材４を酸等で、クリーニング
し、予め、ＰＺＴ薄膜１４を形成したい側面を除いた面
を合成樹脂、又は、スパッタリングや真空蒸着等の物理
的成膜法にてチタン以外の金属等にて、被覆してマスク
（図示しない）を形成する。

【００４１】基材４の平行平板部２において第２側面６
と第４側面１０６、及び平行平板部３において第１側面
５及び第３側面１０５にスパッタリングや真空蒸着等の
物理的成膜法にてチタン膜１３を成膜する（図５参
照）。

【００４２】次に水熱法で、チタン膜１３上にＰＺＴ薄
膜１４を形成する。この水熱法は２つの段階からなって
いる。（第１段階）基材４、原材料としてのオキシ塩化ジルコ
ニウム（ＺｒＯＣｌ₂・８Ｈ₂Ｏ）と硝酸鉛（Ｐｂ（Ｎ
Ｏ₃）₂）の水溶液、及びＫＯＨ（８Ｎ）溶液をテフロ
ン瓶（図示しない）に投入し、攪拌する。なお、ＰＺＴ
薄膜１４の圧電性は、ＰＺＴ薄膜１４におけるチタン酸
鉛，ジルコン酸鉛の構成組成比によって決まるため、後
にできあがるＰＺＴ薄膜１４の圧電性に応じてオキシ塩
化ジルコニウムと硝酸鉛とのモル比を決めればよい。

【００４３】次に、図示しない圧力容器内において、基
材４を上方に配置し、オキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯ
Ｃｌ₂・８Ｈ₂Ｏ）、硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ₃）₂）の水
溶液、及びＫＯＨ（８Ｎ）溶液を攪拌しながら、加熱・
加圧する。なお、ここでいう加圧とは、加熱された溶液
の蒸気圧よる加圧のことである。温度条件は１５０℃
で、４８時間この状態を継続する。なお、攪拌は、３０
０ｒｐｍで行う。

【００４４】この結果、過飽和状態で、基材４の両平行
平板部２，３のチタン膜１３表面にＰＺＴの種子結晶
（核）が形成される。上記時間の経過後、基材４を圧力
容器から取り出し、水洗・乾燥する。

【００４５】（第２段階）次に、種子結晶が核付けされ
た基材４、原材料としてのオキシ塩化ジルコニウム（Ｚ
ｒＯＣｌ₂・８Ｈ₂Ｏ）と硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ₃）₂）
の水溶液、四塩化チタン（ＴｉＣｌ₄）及びＫＯＨ（４
Ｎ）溶液をテフロン瓶（図示しない）に投入し、攪拌す
る。なお、ＰＺＴ薄膜１４の圧電性は、ＰＺＴにおける
チタン酸鉛，ジルコン酸鉛の構成組成比によって決まる
ため、後にできあがるＰＺＴの圧電性に応じてオキシ塩
化ジルコニウムと四塩化チタンと硝酸鉛とのモル比を決
めればよい。

【００４６】次に、図示しない圧力容器内において、基
材４を上方に配置し、オキシ塩化ジルコニウム（ＺｒＯ
Ｃｌ₂・８Ｈ₂Ｏ）、硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ₃）₂）の水
溶液、四塩化チタン（ＴｉＣｌ₄）及びＫＯＨ（４Ｎ）
溶液を攪拌しながら、加熱・加圧する。なお、ここでい
う加圧とは、加熱された溶液の蒸気圧よる加圧のことで
ある。温度条件は１２０℃で、４８時間この状態を継続
する。なお、攪拌は、３００ｒｐｍで行う。

【００４７】この結果、過飽和状態で、基材４の両平行
平板部２，３の両外側面にＰＺＴ薄膜１４が所定厚み
（この実施形態では数十μｍ）で形成される（図６参
照）。上記時間の経過後、基材４を圧力容器から取り出
し、水洗・乾燥する。この後、マスクを除去する。

【００４８】そして、ＰＺＴ薄膜１４面にアルミニウム
をスパッタリングや真空蒸着等の物理的成膜法により形
成した後、パターニングし、不必要な部分を除去して、
上下一対の電極膜１５，１６，１７，１８を形成し、振
動ジャイロ１を形成する。その後、電極膜上のパッド部
分にリード線をハンダ付けする。

【００４９】次に、図２を参照して、上記振動ジャイロ
１を採用した振動ジャイロ装置４１を説明する。振動ジ
ャイロ装置４１は、発振回路４２を備えている。同発振
回路４２は所定周波数の電圧信号を発振し、反転増幅回
路４３及び非反転増幅回路４４に出力する。反転増幅回
路４３は、入力した電圧信号を反転増幅し、振動ジャイ
ロ１の第３電極膜１７に反転増幅した電圧信号を印加す
る。又、非反転増幅回路４４は入力した電圧信号を増幅
し、振動ジャイロ１の第４電極膜１８に増幅した電圧信
号を印加する。前記反転増幅回路４３は、反転回路を構
成する。又、非反転増幅回路４４は非反転回路を構成す
る。

【００５０】なお、振動ジャイロ１の基材４は接地され
ている。検出部である平行平板部３において、互いに反
対側面同士に設けられた一方の第１電極膜１５及び第２
電極膜１６は、第１差動回路である差動回路４５に電気
的に接続されている。同差動回路４５は、第１電極膜１
５及び第２電極膜１６から入力した圧電信号等を入力
し、その差を取り、２倍の圧電信号として加算回路４７
に出力する。

【００５１】又、互いに反対側面同士に設けられた他方
の第１電極膜１５及び第２電極膜１６は、第２差動回路
である差動回路４６に電気的に接続されている。同差動
回路４６は、第１電極膜１５及び第２電極膜１６から入
力した圧電信号等を入力し、その差を取り、２倍の圧電
信号として加算回路４７に出力する。

【００５２】又、加算回路４７は、両差動回路４５，４
６から入力した２倍の圧電信号をその極性を揃えた状態
で加算し、４倍の圧電信号として出力する。さて、上記
のように構成された振動ジャイロ装置４１を使用する場
合、基材４の下端部を固定した状態で、平行平板部２の
電極膜１７，１８に対して、前記発振回路４２、反転増
幅回路４３、及び非反転増幅回路４４にてそれぞれ反対
電位の交番電圧を同期して印加する。

【００５３】すると、ＰＺＴ薄膜１４の分極方向が電極
膜１７，１８から基材４方向に向いている場合、プラス
電位側に印加された方のＰＺＴ薄膜１４は圧縮され、マ
イナス電位に印加された側のＰＺＴ薄膜１４は引き伸ば
される。そして、交番電圧による極性の変化によって、
第２側面６のＰＺＴ薄膜１４は、上下に配置された第３
電極膜１７、第４電極膜１８の裏面側において、又、第
４側面１０６のＰＺＴ薄膜１４は、上下に配置された第
４電極膜１８、第３電極膜１７の裏面側において、圧
縮、引き伸ばしが交互に繰り返される。

【００５４】この結果、平行平板部２は、Ｙ、反Ｙ方向
に駆動され、上部に位置する平行平板部３は同方向に振
動する。そして、この振動状態で、振動ジャイロ１にＺ
軸回りにおいて角速度ωの回転が加わったときに、平行
平板部３において一方の側面側のＰＺＴ薄膜１４は、圧
縮（歪み）され、他方の側面側（一方の側面とは１８０
度反対側の側面）が引き伸ばされる（歪み）。

【００５５】このとき、図７に示すように平行平板部３
が右側へ波形に変形した場合、同平行平板部３における
第１側面５上のＰＺＴ薄膜１４の上側は伸び、下側は縮
む。一方、第３側面１０５上のＰＺＴ薄膜１４の上側は
縮み、下側は伸びる。この伸び・縮みが生ずるそれぞれ
に部位に対応して配置された第１電極膜１５、及び第２
電極膜１６がそのときにＰＺＴ薄膜１４に発生した圧電
信号等を差動回路４５及び差動回路４６に出力する。

【００５６】なお、各電極膜１５，１６から出力される
信号中には、圧電信号以外の成分として、入力信号（前
記反転増幅回路４３、非反転増幅回路４４からの電圧信
号）の漏れ分、及びノイズも含まれる。

【００５７】すなわち、例えばＰＺＴ薄膜１４の圧縮
（縮み）又は引張り（伸び）によって、第１電極膜１５
から出力される信号（検出信号）をＧ１とすると、Ｇ１＝入力信号の漏れ分Ｍ＋ノイズＮ−圧電信号Ａとなる（なお、圧電信号Ａの＋、−はＰＺＴ薄膜１４の
分極方向によって逆となる）。

【００５８】又、そのとき、第１電極膜１５とは逆に作
動するＰＺＴ薄膜１４の圧縮（縮み）又は引張り（伸
び）によって、第２電極膜１６から出力される信号（検
出信号）をＧ２とすると、Ｇ２＝入力信号の漏れ分Ｍ＋ノイズＮ＋圧電信号Ａとなる。

【００５９】差動回路４５，４６では、第１電極膜１５
からの出力信号と、第２電極膜１６からの出力信号の差
（Ｇ２−Ｇ１）が取られるため、差動回路４５，４６か
らの出力信号は、圧電信号Ａの２倍の圧電信号Ａとな
る。

【００６０】そして、加算回路４７では、両差動回路４
５，４６からの２倍の圧電信号Ａをさらに、極性を揃え
て加算するため、圧電信号Ａの４倍の圧電信号が得られ
る。この結果、振動ジャイロ１に働いたコリオリの力を
検知することが可能となる。又、上記（１）式に示すよ
うに、振動ジャイロ１の質量ｍ、及び振動速度Ｖが既知
であれば、角速度ωが導出できる。

【００６１】さて、本実施形態によると、次のような作
用効果を奏する。（１）本実施形態における、ＰＺＴ薄膜１４に力Ｆが
加わったときの発生電圧（圧電信号）Ａについて説明す
る。

【００６２】図９には、膜厚ｄ、長さＬ、幅ＷのＰＺＴ
薄膜が示されている。このＰＺＴ薄膜に対して長さ方向
にＦの力が加わると、長さＬがＬ−ΔＬとなり、このと
き、ＰＺＴ薄膜の対向する上下両側面には、分極方向に
応じて＋ΔＱ、−ΔＱの電荷が発生する。従って、この
ときの発生電圧Ａは下記の式にて与えられる。

【００６３】Ａ＝ΔＱ／Ｃ（Ｃは電気容量）このとき、Ｃ＝（Ｓ・εo ・εr ）／ｄ（εo は真空
誘電率、εr はＰＺＴ薄膜の比誘電率、Ｓ（ＰＺＴ薄膜
の面積）＝Ｗ×Ｌ）であるため、Ａ＝（ΔＱ・ｄ）／（Ｓ・εo ・εr ）となる。このことから、電極（電極膜）の面積が小さい
ほどＶは大きくできる。

【００６４】従って、本実施形態では、検出部である平
行平板部３においては、第１電極膜１５、第２電極膜１
６を分離して電極膜の面積を従来よりも小さくしたた
め、圧電電圧Ａを大きくすることができる。

【００６５】（２）本実施形態の振動ジャイロ１で
は、第１側面５においては、第１電極膜１５と第２電極
膜１６とは上下に配置し、第３側面１０５においては、
第１側面５とは逆に第１電極膜１５が下側に、第２電極
膜１６が上側に配置した（図２参照）。すなわち、例え
ば平行平板部３が図７に示すように右側へ波形に変形し
た場合、同平行平板部３における第１側面５上のＰＺＴ
薄膜１４の上側は伸び、下側は縮む。一方、第３側面１
０５上のＰＺＴ薄膜１４の上側は縮み、下側は伸びる。
この伸び・縮みが生ずるそれぞれに部位に対応して第１
電極膜１５、及び第２電極膜１６とを配置した。

【００６６】この結果、それぞれの部位におけるＰＺＴ
薄膜１４の伸び・縮みに各別に対応した圧電信号を得る
ことができる。（３）本実施形態の振動ジャイロ１では、前記平行平
板部２における第２側面６においては、第３電極膜１７
と第４電極膜１８とは上下に配置した。そして、第４側
面１０６においては、第２側面６とは逆に第３電極膜１
７を下側に、第４電極膜１８を上側に配置した（図２参
照）。

【００６７】そして、平行平板部２のＰＺＴ薄膜１４の
各電極膜１７，１８に互いに逆極性の電圧が印加された
際に、第３電極膜１７にて印加された部分では、例えば
縮みが生ずると、第４無電極膜１８にて印加された部分
では、伸びの変形が生ずる。反対に、第３電極膜１７に
て印加された部分が伸びが生ずる場合には、第４電極膜
１８にて印加された部分は縮みが生ずる。このように、
互いに反対側面において、対向した部分では、第３電極
膜１７と、第４電極膜１８とが対応して設けられて、互
いに対向した部分で一方が延び、他方が縮むため、駆動
部である平行平板部２に大きな変形を効率良く付与する
ことができる。

【００６８】（４）本実施形態の振動ジャイロ装置４
１では、検出部である平行平板部３において、互いに反
対側面同士に設けられた一方の第１電極膜１５及び第２
電極膜１６を、第１差動回路である差動回路４５に電気
的に接続した。又、同差動回路４５は、第１電極膜１５
及び第２電極膜１６から入力した圧電信号等の差を取
り、２倍の圧電信号として加算回路４７に出力するよう
にした。

【００６９】又、互いに反対側面同士に設けられた他方
の第１電極膜１５及び第２電極膜１６は、第２差動回路
である差動回路４６に電気的に接続し、同差動回路４６
は、第１電極膜１５及び第２電極膜１６から入力した圧
電信号等の差を取り、２倍の圧電信号として加算回路４
７に出力するようにした。

【００７０】又、加算回路４７は、両差動回路４５，４
７から入力した２倍の圧電信号をその極性を揃えた状態
で加算し、４倍の圧電信号として出力するようにした。
この結果、振動ジャイロ装置４１の圧電信号として大き
な出力を得ることができ、検出感度を上げることができ
る。

【００７１】（５）本実施形態では、基材４の両平行
平板部２，３のチタン膜１３表面に形成されたＰＺＴ薄
膜１４は、数十μｍとして薄く形成しているため、振動
ジャイロ１を、小型化することができる。

【００７２】（６）本実施形態では、基材４の上下両
部を、平行平板構造としているため、捩じれに対して強
くすることができる。従って、振動駆動用の平行平板部
２は、正確に振動することができ、検出用の平行平板部
３は、正確に変位できるため、ノイズに強いものとな
る。

【００７３】（７）本実施形態では、水熱法により、
基材４の両平行平板部２，３の両外側面にチタン膜１３
を形成した後、水熱法により、ＰＺＴ薄膜１４を形成
し、その後、前記ＰＺＴ薄膜１４を形成した基材４の両
側面に対して、それぞれ電極膜１５，１６，１７，１８
を形成した。その結果、同一工程（水熱法による工程）
で得られた振動駆動用の平行平板部２、検出用の平行平
板部３との組合せで構成される振動ジャイロ１は、検出
感度等の品質を一定に、すなわち、均質なものとするこ
とができる。又、水熱法により、駆動用のＰＺＴ薄膜１
４と、検出用のＰＺＴ薄膜１４とが一度に形成できるた
め、別々に駆動用、検出用のＰＺＴ薄膜を形成する場合
と異なり、作製工数を低減できる。

【００７４】（８）検出用の平行平板部３の側板１１
と側板１２の上部間を連結している連結部、或いは、平
行平板部２と平行平板部３との間の部分の連結部は、上
記（１）式のコリオリの力Ｆｃの質量ｍとして使用でき
る。従って、同部分の質量を適宜変更することにより振
動ジャイロ１のｍを調整することが可能である。そのこ
とによって、振動ジャイロ１の検出感度を上げることも
可能である。

【００７５】本発明の実施形態は、上記実施形態以外に
次のように変更することも可能である。（１）前記実施形態では、電極膜１５、１６をＰＺＴ
薄膜１４の圧縮・縮み箇所にそれぞれ対応して設けた
が、図８の一点鎖線で示すように基材４の最大応力が集
中する部位（最大応力集中箇所）に対応して、電極膜１
５，１６を設けてもよい。

【００７６】こうすることにより、検出部である平行平
板部３の最大応力集中箇所では、ＰＺＴ薄膜１４にも伸
びと縮みによる歪が大きく発生するため、大きな圧電電
圧を得ることができる。

【００７７】（２）前記実施形態では、電極膜１５〜
１８をアルミニウムで形成したが、Ａｕ（金）にて形成
してもよく、又、他の導電性金属にて形成してもよい。（３）前記実施形態では、電極膜１５〜１８ＰＺＴ薄
膜１４、基材４の厚みをそれぞれ所定数値としたが、上
記数値に限定されるものではなく、必要に応じて、上記
以外の数値としてもよい。

【００７８】（４）前記実施形態では、ＰＺＴ薄膜１
４面に電極膜１５〜１８をスパッタリングや真空蒸着等
の物理的成膜法により形成した後、パターニングした
が、この代わりに、これらを導電性ペーストをスクリー
ン印刷法によって、印刷して形成してもよい。

【００７９】（５）前記実施形態では、音片型の振動
ジャイロ１に具体化したが、この振動ジャイロ１を連結
板の両端に固設した音叉型の振動ジャイロに具体化して
もよい。この場合、前記実施形態での振動ジャイロ１を
一対、連結部としての連結板の両端に立設固定するだけ
で、音叉型の振動ジャイロが形成できる。

【００８０】（６）前記実施形態では、振動ジャイロ
１の下端部を固定端部としたが、上端部を固定端部と
し、下端部を自由端部としてもよい。この場合、駆動部
が上端部となり、検出部が下端部となる。

【００８１】（７）前記実施形態では、基材４をステ
ンレスとしたが、他の金属でもよく、チタンとした場合
は、チタン膜１３の形成が不要となる。この場合、基材
４の表面が本発明のベース面を構成する。

【００８２】ここで、特許請求の範囲に記載された技術
的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される
技術的思想をその効果とともに以下に挙げる。（１）請求項１乃至請求項４のうちいずれかにおい
て、貫通孔は断面四角形状に形成されたものである平行
平板型振動ジャイロ。断面四角形状の貫通孔により、第
１及び第２平行平板部の側壁が板状に形成され、平行平
板構造を得ることができる。

【００８３】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１の発明に
よれば、検出部である平行平板部の変形時に、平行平板
部の側面の各部において伸び縮みが逆であっても発生電
圧が相殺されることがなく、大きな圧電信号を得ること
ができる。請求項２の発明によれば、振動ジャイロの駆
動部となる第１平行平板部では、第１平行平板部の第２
側面と第４側面の強誘電体膜上に、同強誘電体膜の伸び
縮み変形時に互いに逆変形となる部分に対応してそれぞ
れ第３電極及び第４電極が設けられているため、それぞ
れの電極を介して、互いに逆極性の交番電圧を印加する
ことにより、第１平行平板部を振動することができる。

【００８４】請求項３の発明によれば、弾性金属におけ
る変形時の最大応力集中箇所に対応した強誘電体薄膜上
に第１電極及び第２電極が配置されると、検出部である
平行平板部の最大応力集中箇所では、強誘電体薄膜にも
伸びと縮みによる歪が大きく発生するため、大きな圧電
電圧を得ることができる。

【００８５】請求項４の発明によれば、第１平行平板部
の第２側面と第４側面、及び第２平行平板部の第１側面
と第３側面とにはチタンにて形成されたベース面が形成
され、前記強誘電体薄膜は、同ベース面上に形成された
ＰＺＴ薄膜とすることにより、請求項１乃至請求項３の
うちいずれかに記載の効果を得る。

【００８６】請求項５に記載の発明によれば、振動ジャ
イロ装置は回路構成によってさらに高い検出感度にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態の平行平板型振動ジャイロの斜視
図。

【図２】平行平板型振動ジャイロ装置の電気回路。

【図３】基材の斜視図。

【図４】貫通孔を形成した基材の斜視図。

【図５】チタン膜をパターンニングして形成した基材の
斜視図。

【図６】ＰＺＴ薄膜を形成した基材の斜視図。

【図７】平行平板型振動ジャイロの作用の説明のための
模式図。

【図８】同じく平行平板型振動ジャイロの作用の説明の
ための模式図。

【図９】発生電圧の説明のための説明図。

【図１０】従来の振動ジャイロの斜視図。

【図１１】振動ジャイロの要部断面図。

【図１２】振動ジャイロの作用を示す模式図。

【図１３】従来の振動ジャイロの斜視図。

【図１４】従来の振動ジャイロの斜視図。

【符号の説明】

１…振動ジャイロ、２，３…平行平板部（第１、第２平行平板部を構成す
る）、４…基材（弾性金属）、５…第１側面、６…第２側面、
１０５…第３側面、１０６…第４側面、７，１０…貫通孔、８，９，１１，１２…側板（平板部を構成する）、１３…チタン膜（ベース面を構成する。）、１４…ＰＺＴ薄膜（強誘電体膜を構成する。、１５…第１電極膜（第１電極を構成する。）、１６…第２電極膜（第２電極を構成する。）、１７…第３電極膜（第３電極を構成する。）、１８…第４電極膜（第４電極を構成する。）、４１…振動ジャイロ装置、４２…発振回路、４３…反転増幅回路（反転回路を構成する）、４４…非反転増幅回路（非反転回路を構成する。）、４５…差動回路（第１差動回路を構成する。）、４６…差動回路（第２差動回路を構成する。）、４７…
加算回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福田敏男名古屋市東区矢田町２丁目66番地名大矢田町宿舎122号 (72)発明者糸魚川貢一愛知県丹羽郡大口町大字豊田字野田１番地株式会社東海理化電機製作所内 (72)発明者岩田仁愛知県丹羽郡大口町大字豊田字野田１番地株式会社東海理化電機製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周方向に亘って第１乃至第４側面（５，
６，１０５，１０６）を有し、第１側面（５）と第３側
面（１０５）、第２側面（６）と第４側面（１０６）と
は、互いに１８０度反対位置に位置する四角柱状の弾性
金属（４）を備え、その弾性金属（４）の固定端部側には、第１側面（５）
から第３側面（１０５）まで貫通する貫通孔（７）が形
成されて、第２側面（６）と第４側面（１０６）を含む
それぞれの平板部にて第１平行平板部（２）が形成さ
れ、前記弾性金属（４）の自由端部側には、第２側面（６）
から第４側面（１０６）まで貫通する貫通孔（１０）が
形成されて、第１側面（５）と第３側面（１０５）を含
むそれぞれの平板部にて第２平行平板部（３）が形成さ
れ、第１平行平板部（２）の第２側面（６）と第４側面（１
０６）、及び第２平行平板部（３）の第１側面（５）と
第３側面（１０５）とには、それぞれ強誘電体膜（１
４）が形成され、第２平行平板部（３）の各強誘電体膜（１４）上におい
て、同強誘電体膜（１４）の伸び縮み変形時に互いに逆
変形となる部分に対応してそれぞれ第１電極（１５）及
び第２電極（１６）が設けられ、第１平行平板部
（２）の各強誘電体膜（１４）上において、電極（１
７，１８）がそれぞれ設けられていることを特徴とする
平行平板型振動ジャイロ。
【請求項２】第１平行平板部（２）の各強誘電体膜
（１４）上において、同強誘電体膜（１４）の伸び縮み
変形時に互いに逆変形となる部分に対応してそれぞれ第
３電極（１７）及び第４電極（１８）が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の平行平板型振動ジャ
イロ。
【請求項３】前記第１電極（１５）及び第２電極（１
６）は、弾性金属（４）における変形時の最大応力集中
箇所に対応した強誘電体薄膜（１４）上に配置されてい
ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の平行
平板型振動ジャイロ。
【請求項４】前記第１平行平板部（２）の第２側面
（６）と第４側面（１０６）、及び第２平行平板部
（３）の第１側面（５）と第３側面（１０５）とにはチ
タンにて形成されたベース面（１３）が形成され、前記
強誘電体薄膜（１４）は、同ベース面（１３）上に形成
されたＰＺＴ薄膜である請求項１乃至請求項３のうちい
ずれかに記載の平行平板型振動ジャイロ。
【請求項５】前記請求項２に記載の平行平板型振動ジ
ャイロを備えた装置であって、所定の周波数で発振信号を出力する発振回路（４２）
と、前記発振信号を反転し、第１平行平板部（２）の第２側
面（６）及び第４側面（１０６）の各第３電極（１７）
に前記発振信号に基づく電圧信号を印加する反転回路
（４３）と、前記発振信号を反転しないで、第１平行平板部（２）の
第２側面（６）及び第４側面（１０６）の各第４電極
（１８）に対して発振信号に基づく電圧信号を印加する
非反転回路（４４）と、第２平行平板部（３）の第１側面（５）の第１電極（１
５）と第３側面（１０５）の第２電極（１６）からの検
出信号の差を取り、両電極の検出信号の差に係る信号を
出力する第１差動回路（４５）と、第２平行平板部（３）の第１側面（５）の第２電極（１
６）と第３側面（１０５）の第１電極（１５）からの検
出信号の差を取り、両電極の検出信号の差に係る信号を
出力する第２差動回路（４６）と、前記第１差動回路（４５）と第２差動回路（４６）から
の両信号を加算し、その加算結果を出力する加算回路
（４７）とを備えた平行平板型振動ジャイロ装置。