JPH1194560A

JPH1194560A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH1194560A
Application number: JP10035239A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Suzuki; 鈴木　　博文; Takashi Yamamoto; 孝史山本; Toshiatsu Nagaya; 年厚長屋; Takehiro Watarai; 武宏度會
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電材料にて形成された音叉型の振動子を備
える角速度センサにおいて、温度変化に対して安定且つ
良好な感度を実現する圧電材料を提供する。【解決手段】音叉型振動子１を形成する圧電体のｄ₃₁
およびＱ値の特性は、センサ使用温度範囲（−４０℃〜
８５℃）において、ｄ₃₁ ²×Ｑの最小値が２．５×１
０^-18ｍ²／Ｖ²以上であること、ｄ₃₁ ²×Ｑの最大
値と最小値の比である温度変化率が４以下であること、
ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性が単調増減である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体にて形成さ
れた振動子を備える角速度センサに関するものであり、
車両の姿勢制御装置やカーナビゲーションシステム等に
用いて好適である。

【０００２】

【従来の技術】近年、小型、低コスト化のため圧電体に
て音叉型に形成された振動子（圧電体音叉型振動子）を
用いた角速度センサが発明されている。この圧電体音叉
型振動子を用いた角速度センサとしては、特開昭６１−
２９４３１１号公報および特開平８−２１０８６０号公
報に記載の２脚音叉型振動子を用いたものが提案されて
いる。

【０００３】この角速度センサは、一対の四角柱状のア
ーム部とこれらアーム部の両端を連結する連結部により
Ｕ字状の２脚音叉形状に構成された圧電体からなる振動
子（以下、音叉型圧電体振動子という）を備えており、
振動子の表面には、振動子駆動用の駆動電極、角速度検
出用の検出電極等、複数の電極が設けられている。そし
て、外部から入力される駆動信号により、アーム部の長
手方向（ｚ軸方向）と直交するｙ軸方向にアーム部を駆
動振動（励振）させ、ｚ軸回りに回転角速度が入力され
たときに、ｚ軸方向およびｙ軸方向と直交するｘ軸方向
に発生するコリオリ力によるアーム部の振動を検出振動
として電気的に検出し、角速度の大きさを求める。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、当然の事な
がら、この音叉型圧電体振動子を用いた角速度センサを
自動車用として積載した場合にはその使用温度範囲（−
４０℃〜８５℃）で安定で感度のよいセンサ特性が必要
となる。このため、振動子を効率的に駆動振動させ、更
に、角速度センサにコリオリ力が生じた時に、それを信
号として増幅回路にて増幅可能な値となるように効率よ
く検出振動させるように振動子特性を良くする必要があ
る。

【０００５】ここで、振動子は音叉型の圧電体であり、
感度向上のためには、圧電特性の向上が必要である。し
かし、上記した各従来公報では、音叉型圧電体振動子と
圧電体材料との関係において、良好な感度を実現するた
めの圧電体材料の特性（圧電特性等）にまで言及した記
載は無い。そのため、上記した従来の角速度センサにお
いては、感度を増幅するために複雑な増幅回路を用いな
ければならない等、十分な感度を安定して得ることがで
きなかった。また、使用温度範囲において、音叉型圧電
体振動子の圧電特性が大きく変化すると回路側にて検出
が困難となるという問題が生じてくる。

【０００６】また、従来、櫛形やＨ字型等の多脚音叉型
においても、感度と圧電体材料の特性との関係は明らか
にされておらず、上記２脚音叉型と同様の問題が生じて
くる。本発明は上記点に鑑みて、圧電材料にて形成され
た音叉型の振動子を備える角速度センサにおいて、温度
変化に対して安定且つ良好な感度を実現する圧電材料を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、２脚若し
くは多脚の音叉型圧電体振動子において、どういう圧電
材料であれば、温度変化に対して安定且つ簡単な回路に
て検出可能な感度、すなわち良好な感度を実現できる
か、鋭意検討を行った。圧電体材料が、音叉形状の振動
子に形成された場合において、振動子の振幅ＡはＡ∝ｄ
₃₁ ²×Ｑ×Ｖ_D、その感度Ｓ_CはＳ_C∝ｄ₃₁ ²×Ｑ×β
×Ｖ_D（Ｓ_C∝Ａ×β）にて近似される。ここで、ｄ₃₁
は圧電定数、Ｑ値は共振尖鋭度であり、両者とも、音叉
形状に形成された圧電体の固有の圧電特性である。ま
た、βは音叉の寸法により決定される共振倍率であり、
Ｖ_Dは駆動振動させるための駆動電圧である。

【０００８】さらに、圧電体固有の圧電特性であるｄ₃₁
およびＱ値に着目して、検討を進めた結果、良好な感度
を得るためには、上記のｄ₃₁ ²とＱ値との積、すなわち
ｄ₃₁ ²×Ｑが、所定の特性を満足するものであれば好ま
しいことがわかった。すなわち、請求項１の発明によれ
ば、音叉型圧電体振動子を備える角速度センサにおい
て、振動子（１、１０１、２０１）を形成する圧電体の
ｄ₃₁およびＱ値の特性は、センサ使用温度範囲（−４０
℃〜８５℃）において、ｄ₃₁ ²×Ｑの最小値が２．５
×１０^-18ｍ²／Ｖ²以上であること、ｄ₃₁ ²×Ｑの
最大値と最小値の比である温度変化率が４以下であるこ
と、ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性が単調増減であることを特
徴とする。なお、本発明の音叉形状とは２脚もしくは多
脚の音叉形状を意味する。

【０００９】ここで、の特性によって、振動子（１、
１０１、２０１）の性能を、効率的な駆動振動と検出振
動が可能な良好な感度とすることができる。そして、
の特性によって、感度の温度変化を小さくでき、また、
の特性によって、感度の温度特性を単調増減とできる
ため、通常使用される簡単な回路構成にて、容易に感度
の温度補正ができる。従って、−４０℃〜８５℃におい
て温度変化に対して安定且つ良好な感度を有する角速度
センサを提供することができる。

【００１０】さらに、圧電体の弾性定数Ｙ₁₁ ^Eについて
も検討を進め、請求項２の発明のように、振動子（１、
１０１、２０１）を形成する圧電体の弾性定数Ｙ₁₁ ^Eが
８０ＧＮ／ｍ²以上であれば、振動が発生しやすく且つ
伝わりやすくできるため、より高いレベルで良好な感度
を有する角速度センサを提供することができることを見
出した。

【００１１】また、本発明者等は、圧電体を材料の組成
面からも鋭意検討したところ、ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉ
Ｏ₃−Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の材料に添加物
としてＭｎＯ₂を混合した圧電材料において、上記の特
性〜を満足するような所定の組成比が存在すること
を見出した。すなわち、請求項３の発明においては、振
動子（１、１０１、２０１）を形成する圧電体は、ａＰ
ｂＺｒＯ₃−ｂＰｂＴｉＯ₃−ｃＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ
_2/3）Ｏ₃で表され、ＰｂＺｒＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、Ｐ
ｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃を頂点とする三角図表で、Ａ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．４５，０．５０，０．０５）Ｂ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．４７，０．５２，０．０１）Ｃ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５２，０．４７，０．０１）Ｄ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５０，０．４５，０．０５）の各点を結ぶ線内の領域で表されるＰｂＺｒＯ₃−Ｐｂ
ＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｚｎ_1/ ₃Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の材料と、
この材料１００ｍｏｌ％に対して１〜２ｍｏｌ％含まれ
るＭｎＯ₂とからなる圧電材料であることを特徴とす
る。本発明においても、音叉形状とは２脚もしくは多脚
の音叉形状を意味する。

【００１２】本発明においては、振動子（１、１０１、
２０１）を形成する圧電体を、上記〜の特性を有す
るものとでき、上記請求項２の発明と同等の効果を実現
することができる。さらに、請求項４の発明のように、
ａＰｂＺｒＯ₃−ｂＰｂＴｉＯ₃−ｃＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎ
ｂ_2/3）Ｏ₃において、Ｐｂ量が理論値すなわち化学量
論値（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）の１．０１倍以内の範囲で過剰
であれば、ｄ₃₁ ²×Ｑの値を安定して高いものとでき
る。

【００１３】また、請求項５の発明のように、振動子
（１、１０１、２０１）を形成する圧電体の焼結後の気
孔率が７％以下で、平均粒径が１〜４μｍであれば、振
動子（１、１０１、２０１）を形成する圧電体全体に渡
って、上記〜の特性を均一かつ安定に実現できる。
特に、各アーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜
２０５）において、互いに同等の振動状態を実現するの
に効果的であり、不要振動を低減できる。

【００１４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すもの
である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。（第１実施形態）図１は、本実施形態の角速度センサを
示す斜視図である。本実施形態は、例えば、自動車の姿
勢制御やカーナビゲーションシステム等に利用される角
速度センサとして使用される。本実施形態は、振動子
１、振動子１を支持する基板２、振動子１を駆動し角速
度を検出するための駆動・検出回路（図示せず）を有し
た構成となっている。

【００１６】振動子１は、圧電体から形成され、一対の
四角柱状のアーム部（振動部）４、５と、両アーム部
４、５の一端を連結する連結部６からなる音叉形状、い
わゆる２脚の音叉型振動子を構成している。なお、本実
施形態では、振動子１を形成する圧電体は、所定の組成
比を有するＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｚｎ
_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の材料と、この材料に対して１〜
２ｍｏｌ％含まれるＭｎＯ₂とからなる圧電材料で形成
されているが、詳細構成については後述する。

【００１７】ここで、振動子１の体格（図２参照）は、
厚み（Ｘ１面とＸ２面間距離）ｋ１が２．１７ｍｍであ
る。各アーム部４および５の幅ｗ１およびｗ２はそれぞ
れ各２ｍｍ、両アーム部４、５が対向する面間の距離
（スリット溝）ｗ３は０．６ｍｍであり、故に音叉の幅
（Ｙ１面とＹ２面間距離、ｗ１＋ｗ２＋ｗ３）は４．６
ｍｍである。振動子１のｚ軸方向の長さｈ１は、支持部
３と接合する連結部６の面から、アーム部４、５先端ま
での距離が２０ｍｍで、連結部６のｚ軸方向の長さｈ２
は３ｍｍである。従って、前述の０．６ｍｍのスリット
溝の長さ（ｈ１−ｈ２）は１７ｍｍである。

【００１８】この振動子１は、例えば４２アロイ等から
なる略エ字型の支持部３を介して、基板２に固定されて
いる。この基板２には凹部２ｂが形成されており、その
ため、振動子１自身は基板２に対して平行に浮遊した形
となっている。ここで、振動子１において、両アーム部
４、５の長手方向と平行且つ両アーム部４、５の中央に
位置するｚ軸方向に延びる各振動子面を、以下のように
定義する。両アーム部４、５と連結部６とが同一平面を
形成し対向する略コ字形状の一対の面であるＸ１、Ｘ２
面のうち、基板２とは反対側の面をＸ１面、Ｘ１面と対
向する他方の面をＸ２面とする。また、振動子１の外周
に位置し且つアーム部４、５の配列方向であるｙ軸と直
交する面であるＹ１、Ｙ２面のうち、アーム部４側をＹ
１面、アーム部５側をＹ２面とする。

【００１９】また、Ｘ１面およびＸ２面と直交する方向
をｘ軸として、上記ｙ軸およびｚ軸とともに、図１に示
すｘｙｚ直交座標系が構成される。以下、本実施形態に
おいて、このｘｙｚ直交座標を用いて説明する。また、
以下、ｘ軸方向というのは、ｘ軸と平行な方向であるこ
とを意味する。ｙ軸、ｚ軸方向についても同様である。

【００２０】振動子１には、駆動および角速度検出のた
めの複数の電極が形成されているが、次に、その電極構
成について説明する。図３は、振動子１の外周面上に形
成された各電極１０〜２４の構成を、振動子１の前後、
左右から見た展開図である。（ａ）はＸ１面、（ｂ）は
Ｘ２面、（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面上の電極構成
を示すものである。

【００２１】Ｘ１面には、振動子１を駆動するための駆
動電極１０、１１と、駆動状態をモニタし自励発振させ
るため帰還用の参照電極１２、１３と、取出し電極１
４、１５と、ポスト電極１６、１７とが形成されてい
る。一方、Ｙ１、Ｙ２面には、コリオリ力によって発生
する電荷を取出し角速度を検出するための角速度検出電
極１８、１９が形成されている。また、Ｘ２面には、上
記駆動および参照電極１０〜１３および角速度検出電極
１８、１９の基準電位用電極である共通電極２０がほぼ
全面に形成されている。

【００２２】ここで、角速度検出電極１８、１９は、そ
れぞれ、Ｙ１、Ｙ２面上の引出し電極２１、２２を介し
てポスト電極１６、１７と電気的に導通している。ま
た、共通電極２０は、それぞれ、Ｙ１、Ｙ２面上の引出
し電極２３、２４を介して取出し電極１４、１５と電気
的に導通している。なお、角速度検出電極１８は、アー
ム部４においてＹ１面と対向する面、角速度検出電極１
９は、アーム部５においてＹ２面と対向する面にあって
もよい。また、角速度検出電極は、Ｙ１面またはＹ２面
のどちらか一方のみにあってもよい。一方のみの場合、
角速度検出電極がある側のアーム部の検出振動から角速
度検出がなされる。

【００２３】また、振動子１は、図１の白抜き矢印に示
すように、Ｘ１、Ｘ２面に直交するｘ軸方向に分極処理
されている。なお、上記の取出し電極１４、１５は、振
動子１を分極処理するための、分極用電極としても用い
られる。そして、図１に示すように、上記のＸ１面上の
駆動電極１０、１１、参照電極１２、１３、取出し電極
１４、１５、およびポスト電極１６、１７は、基板２に
設けられた複数のリード端子Ｐと、例えばＷＢ等による
導電性のワイヤ（例えば、Ａｌ線）Ｓにて、結線されて
いる。

【００２４】これらリード端子Ｐは、基板２を貫通して
設けられ、基板２の振動子１とは反対の面に突出してい
る。各ハーメチック端子Ｐの外周には、絶縁ガラス２ａ
が配置され、ハーメチック端子Ｐと基板２との電気絶
縁、及び気密を保つ役割を果している。また、リード端
子Ｐは、基板２の振動子１とは反対の面側にて、上述し
た図示しない駆動・検出回路（外部回路）に、電気的に
接続されている。この駆動・検出回路は、上記した振動
子１への駆動信号（交流電圧）を発生させ振動子１を所
定の駆動周波数で駆動振動させると共に、振動子１の振
動状態から発生する電気信号を駆動周波数で同期検波す
る等の検出処理を行い、図１に示すｚ軸回りの角速度Ω
ｚを検出するように構成されている。

【００２５】また、基板２は、その２外周に接着された
図示しないシェル（蓋体）を有し、振動子１はこのシェ
ル（蓋体）により覆われ、シェルと上記の絶縁ガラス２
ａによって、振動子１は外部に対して気密となってい
る。さらに、基板２には、図示しない取付部が形成され
ており、本実施形態の角速度センサは、この取付部は、
防振ゴムを介して被測定物（車両等）の適所に、振動子
１および基板２が取り付けられるようになっている。こ
の時、図１に示すｚ軸方向を上下方向として取り付けら
れる。

【００２６】以上の構成に基づき、本実施形態の角速度
センサの作動について説明する。上記の駆動・検出回路
から取出し電極１４、１５を介して、共通電極２０と駆
動電極１０および駆動電極１１との間に、それぞれ位相
の１８０度異なる交流電圧（駆動信号）をｘ軸方向に印
加することにより、各アーム部４、５をｙ軸方向に励振
（駆動振動）させる。この時、参照電極１２、１３と共
通電極２０との間を流れる出力電流を検知し、振動状態
をモニタしながらフィードバックを行う。その結果、周
囲温度が変化してもアーム部４、５のｙ軸方向の振幅
（駆動振幅）が一定となるように自励発振制御を行うこ
とができる。

【００２７】上記の駆動振動時に、振動子１に対して、
ｚ軸（検出軸）回りに角速度Ωｚが入力された時、いわ
ゆるコリオリ力によりアーム部４、５はたわみ振動を生
じ、ｘ軸方向に角速度Ωｚに比例した検出振動を発生す
る。この検出振動によって、角速度検出電極１８、１９
と共通電極２０との間に発生する出力電流を、引出し電
極２１、２２およびポスト電極１６、１７を介して検出
して、電圧値（検出信号）に変換することにより、各ア
ーム部４、５の中心位置におけるｚ軸回りの角速度Ωｚ
を検出する。

【００２８】次に、上記振動子１の製造方法について述
べる。出発原料として、ＰｂＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、
ＺｎＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＭｎＣＯ₃を所望量配合し、トロ
ンミルにて２０時間湿式混合する。このスラリーをスプ
レーバッグドライヤにて乾燥し、６５０〜７５０℃にて
２〜５時間焼成することで仮焼体を得る。この粉末をト
ロンミルにて４８時間湿式粉砕し、そのスラリーにバイ
ンダを加えスプレードライヤにて水分を乾燥させ造粒粉
を得る。

【００２９】この造粒粉を金型にて１軸加圧成形し、２
７×２７×３．５ｍｍの成形体を得る。この成形体を１
１５０〜１３００℃にて１〜３時間焼成することにより
焼成体を得る。この焼成体を平面ラップ盤にて所望の厚
さに研削し、高精度スライサにて図１に示した形状の音
叉に加工する。その後、図３に示したパターンになるよ
うに、表裏面（Ｘ１、Ｘ２面）にＡｇ／Ｐｂペーストを
印刷・焼付けし、電極１０〜１７および２０を形成す
る。その後、８０〜１５０℃のシリコンオイル中で、Ｘ
１面がプラスになるように２．５ｋＶ／ｍｍの直流電圧
を印加して分極処理を行う。

【００３０】その後、Ｙ１、Ｙ２面にて、熱硬化型Ａｇ
ペーストを印刷・硬化することにより、図３に示したパ
ターンの電極１８、１９および２１〜２４を形成する。
この電極１８、１９および２１〜２４のパターンは角速
度センサの検出原理により定められるもので、詳細は、
従来技術の欄に述べた特開平８−２１０８６０号公報に
開示されている。以上により圧電体により形成された音
叉型の振動子１が完成する。

【００３１】続いて、この振動子１を支持部３に接着
し、更に支持部３を基板２に溶接により固定し、更に基
板２に形成されたリード端子Ｐと各電極１０〜１７をワ
イヤボンディング法にてアルミ線にて電気接続させる。
そして、リード端子Ｐと外部回路（駆動・検出回路）と
接続し、駆動信号および角速度信号等を入出力するよう
にする。

【００３２】ところで、上記したように、本実施形態で
は振動子１を形成する圧電体として、所定の組成比範囲
を有するＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｚｎ_1/3
Ｎｂ _2/3）Ｏ₃系の材料と、この材料に対して１〜２ｍ
ｏｌ％含まれるＭｎＯ₂とからなる圧電材料を用いてい
る。すなわち、振動子１を形成する圧電体には最適組成
範囲が存在する。

【００３３】ここで，ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−Ｐ
ｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の材料は、ａＰｂＺｒＯ
₃−ｂＰｂＴｉＯ₃−ｃＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃
（ここで、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表され、３成分の組成比
（ａ，ｂ，ｃ）は、図４および図５に示す特定の組成比
範囲を有する。図４は、ＰｂＺｒＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃お
よびＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃を頂点とする三角図
表、すなわち、これら３成分の組成図である。本実施形
態において、上記３成分系の材料は、図４の四角形ＡＢ
ＣＤ（図中ハッチング部分）で示される組成比領域内の
組成範囲となっている。図５は、図４の組成比領域部分
（四角形ＡＢＣＤ、図中ハッチング部分）の拡大図であ
る。

【００３４】四角形ＡＢＣＤの各点の座標は、ａＰｂＺ
ｒＯ₃−ｂＰｂＴｉＯ₃−ｃＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）
Ｏ₃とすると、Ａ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．４５，０．５０，０．０
５）、Ｂ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．４７，０．５２，０．０
１）、Ｃ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５２，０．４７，０．０
１）、Ｄ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５０，０．４５，０．０５）
である。以下、このような最適組成比範囲の圧電材料と
した根拠について述べる。

【００３５】角速度センサにおいて、圧電材料を用いて
音叉型振動子を形成する場合、音叉型という特有の形状
であるため、振動子はその形状に適した圧電特性を有す
る必要がある。従来から、圧電材料としては、ＰＺＴ等
が提案されているが、音叉型振動子に適した圧電特性
は、提案されていなかった。また、組成比によって圧電
特性は変化するが、音叉型振動子に適した圧電材料組成
についても、提案されていなかった。

【００３６】本発明者等は、音叉形状をなす振動子１に
おいて、どういう圧電材料であれば、温度変化に対して
安定且つ簡単な回路にて検出可能な感度、すなわち良好
な感度を実現できるか、鋭意検討を行った。上述の作動
その結果、圧電体材料が音叉形状の振動子に形成された
場合において、振動子の振幅ＡはＡ∝ｄ₃₁ ²×Ｑ×
Ｖ_D、その感度Ｓ_CはＳ_C∝ｄ₃₁ ²×Ｑ×β×Ｖ_D（Ｓ
_C∝Ａ×β）にて近似されることが判明した。

【００３７】ここで、ｄ₃₁は圧電定数、Ｑ値は共振尖鋭
度であり、両者とも、振動子１すなわち音叉形状に形成
された圧電体の固有の圧電特性である。また、βは音叉
の寸法により決定される共振倍率であり、Ｖ_Dは駆動振
動させるための駆動電圧である。さらに、振動子１を形
成する圧電体固有の圧電特性であるｄ₃₁およびＱ値に着
目して、検討を進めた結果、温度変化に対して安定且つ
良好な感度を得るためには、上記のｄ₃₁ ²とＱ値との
積、すなわちｄ₃₁ ²×Ｑが、角速度センサの使用温度範
囲（−４０℃〜８５℃）において、以下の〜の要件
を満足するものであれば好ましいことがわかった。

【００３８】ｄ₃₁ ²×Ｑの最小値が２．５×１０^-18
ｍ²／Ｖ²以上であること。ｄ₃₁ ²×Ｑの最大値と最小値の比である温度変化率が
４以下であること。ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性が単調増減であること。ここで、の特性によって、振動子１の性能を、効率的
な駆動振動と検出振動が可能な良好な感度とすることが
できる。そして、の特性によって、感度の温度変化を
小さくでき、また、の特性によって、感度の温度特性
を単調増減とでき、通常使用される簡単な回路構成にて
感度の温度補正が可能とできる。従って、−４０℃〜８
５℃において温度変化に対して安定且つ良好な感度を有
する角速度検出用振動子を提供することができる。

【００３９】また、圧電体の弾性定数Ｙ₁₁ ^Eについても
検討した結果、Ｙ₁₁ ^Eが８０ＧＮ／ｍ²以上であれ
ば、振動が発生しやすく且つ伝わりやすくでき好ましい
ことがわかった。なお、上記の−４０℃〜８５℃におけ
るｄ₃₁ ²×Ｑの最小値、ｄ₃₁ ²×Ｑの最大値と最小値の
比である温度変化率、ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性、および弾
性定数Ｙ ₁₁ ^Eをまとめて圧電特性と呼ぶことにする。

【００４０】そこで、本発明者等は、上記〜の要件
を満足すべく、振動子１を形成する圧電体の材料組成
比、すなわちＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｚｎ
_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の材料に添加物としてＭｎＯ₂を
混合した圧電材料の組成比を、種々変えた試料を作製
し、各試料について各圧電特性およびその他の材料特性
を評価した。その結果、ある組成範囲において、上記
〜の要件を満足するものを見出した。

【００４１】評価法は、Ｑ値は、ＦＲＡ（ＮＦ回路設計
ブロック社製ＦＲＥＱＵＥＮＣＹＲＥＳＰＯＮＳＥＡ
ＮＡＬＹＺＥＲ５０９０）により、振動子１の構成に
おいて駆動電極１０、１１から入力し、角速度検出電極
１８、１９から出力するという方法を用いた。実際に
は、共振周波数でのゲインを測定し３ｄＢ下げた点より
求めた。

【００４２】圧電定数ｄ₃₁及び弾性定数Ｙ₁₁ ^Eは、振動
子（音叉）を形成する圧電体と同じ組成原料にてφ１６
×ｔ１の円板を作製し、インピーダンスアナライザ（ヒ
ューレットパッカード社製ＩＭＰＥＤＡＮＣＥＡＮ
ＡＬＹＺＥＲ４１９４Ａ）にて求めた。焼結体粒径
は、焼結体破面をラップ後、ＳＥＭ（走査型電子顕微
鏡）像からインターセプト法にて平均粒径として求め
た。気孔率は、真比重と嵩比重の差より算出した。

【００４３】１４種類（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４）の各試
料についての圧電特性およびその他の材料特性の評価結
果を、図６の特性表に示す。ここで、試料Ｎｏ．１、
２、４、６、７、９、１１、１２は本発明の実施例であ
り、試料Ｎｏ．３、５、８、１０、１３、１４は比較例
である。この特性表において、ＰｂＺｒＯ₃、ＰｂＴｉ
Ｏ₃、Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃の量は、それぞ
れ、ＰｂＺｒ、ＰｂＴｉ、ＰｂＺｎＮｂ（ｍｏｌ％）と
して表し、ＰｂＺｒ＋ＰｂＴｉ＋ＰｂＺｎＮｂを１００
ｍｏｌ％としている。また、ＭｎＯ₂の量（表中、Ｍｎ
Ｏで示す）は、上記の３成分系材料、つまり、ＰｂＺｒ
＋ＰｂＴｉ＋ＰｂＺｎＮｂを１００ｍｏｌ％としたとき
の値（ｍｏｌ％）である。

【００４４】また、この特性表において、圧電特性のう
ちｄ₃₁ ²×Ｑの最小値、ｄ₃₁ ²×Ｑの最大値と最小値の
比である温度変化率、およびｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性の３
つについては、それぞれ、ｄＱ_min、ｄＱＲ、ｄＱｔと
符号化して示し、その他の材料特性、焼結体粒径および
気孔率は、それぞれ、ｒおよびｎとして示してある。な
お、材料組成により最適焼成温度が若干異なるのでそれ
ぞれの組成にて、焼成温度変更テストを行い、焼成比重
（上記の嵩比重）が最大となる温度を最適焼成温度とし
た。そして、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４の各試料は、各々最
適焼成温度にて作製してある。

【００４５】まずＰｂＴｉＯ₃とＰｂＺｒＯ₃の配合比
について述べる。この配合比は、通常Ｚｒ／Ｔｉ比とし
て表現され、この比により正方晶と三方晶の２つの結晶
相が区分けされる。その結晶境界はモルフォトロピック
相境界（ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃｐｈａｓｅｂｏｕ
ｎｄａｒｙ：ＭＰＢ）と呼ばれ、ＭＰＢよりＺｒ／Ｔｉ
比が大きいと三方晶となり小さいと正方晶となることが
知られている。

【００４６】本発明者等は、今回、Ｑ値の特性がＭＰＢ
と大いに相関が有り、ＭＰＢ近傍にてＱ値が大きくなる
ことを見出した。従って、Ｚｒ／Ｔｉ比とｄ₃₁ ²×Ｑと
の関係は図７（ａ）に示すようになり、ｄ₃₁ ²×ＱはＭ
ＰＢ近傍にて極大値を有する。また、このＭＰＢはＺｒ
／Ｔｉ比により変化するのみでなく、図７（ｂ）に示す
ように、温度によっても変化し、低温から高温になると
Ｚｒ／Ｔｉ比大側にシフトすることが判明した。つま
り、あるＺｒ／Ｔｉ比では、温度範囲−４０℃〜８５℃
において、室温にて正方晶であったものが、低温にする
とＭＰＢを越えて三方晶になる。このことは低温Ｘ線回
折による構造解析にて確認している。

【００４７】この結果とリンクして、Ｑ値の温度特性を
測定すると、ＭＰＢ近傍にてＱ値大となるため室温から
低温になるときＱ値の極大値をもつ。また、圧電定数ｄ
₃₁は、Ｑ値よりも温度依存性は小さいため、ｄ₃₁ ²×Ｑ
の温度特性はＱ値が支配的となる。よって、−４０℃〜
８５℃においてＭＰＢが存在するようなＺｒ／Ｔｉ比の
場合、ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性は、所望の単調増減の特性
より外れることになる。

【００４８】Ｚｒ／Ｔｉ比について試料Ｎｏ．１３、
６、１４を比較する。試料Ｎｏ．１３は室温で正方晶だ
が、三方晶に近いため室温から低温に温度をさげるとＭ
ＰＢを越える領域となる。そのため、低温域にてＱ値が
最大となり、かつｄ₃₁はほとんど変化しないため、結果
的にｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性（ｄＱｔ）は低温側にて極大
値をもつ（−４０℃〜８５℃において上に凸）ことにな
る。

【００４９】次に、試料Ｎｏ．６までＺｒ／Ｔｉ比を小
さくしていくと、圧電体の結晶相は、より正方晶側にシ
フトして、ＭＰＢ領域は低温側にシフトするため、−４
０℃迄にはＭＰＢを越えなくなり、結果的にｄ₃₁ ²×Ｑ
の温度特性（ｄＱｔ）は−４０℃〜８５℃において極大
値を持たず単調減少となる。更に、試料Ｎｏ．１４まで
Ｚｒ／Ｔｉ比を小さくするとＭＰＢより遠ざかるため、
ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性（ｄＱｔ）は単調減少だが、ｄ₃₁
²×Ｑの最小値（ｄＱ_min）が所望の値（２．５×１０
^-18ｍ²／Ｖ²）より小さくなる。

【００５０】従って、試料Ｎｏ．１３、６、１４におい
ては、試料Ｎｏ．６が良好なＺｒ／Ｔｉ比を有するもの
であることがわかるが、さらに、詳細に調査したとこ
ろ、Ｚｒ／Ｔｉ比が１．１１〜０．９の範囲であれば、
良好であることがわかった。このように、上記のｄ₃₁ ²
×Ｑの温度特性（ｄＱｔ）の単調減少は、−４０℃〜８
５℃においてＭＰＢを有しないことで達成される。ここ
で、圧電体の結晶相の変化をみると、ＭＰＢを越えない
範囲においても、ＭＰＢ近傍では一部相変化が起こって
いる。逆に言えば、振動子１を形成する圧電体の結晶構
造は、−４０℃〜８５℃において、ＭＰＢを越えない範
囲で相転移（一部相転移）が起こってもよいのである。

【００５１】なお、ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性（ｄＱｔ）に
おいて、試料Ｎｏ．１０および１３も、試料Ｎｏ．５と
同様に、極大値有となっており、−４０℃〜８５℃にお
いて上に凸となっている。また、ＭｎＯ₂は、一般的
に、圧電体の剛弾性を向上させる（ハード化）ための添
加材として知られており添加によりＱ値は向上する。更
に鋭意検討した結果、ＭｎＯ₂の添加量により低温側の
Ｑ値がアップすることが判明した。

【００５２】従って、−４０℃〜８５℃の範囲における
ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性を測定すると、添加量が少ない場
合は極大値を持ち、単調減少の特性より外れ、添加量を
多くすると低温側のＱ値がアップし高温から低温にかけ
て単調に増加する。ＭｎＯ₂の添加効果について、試料
Ｎｏ．５、６、７、８を比較する。これらのうち試料Ｎ
ｏ．５、６、７について、ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性（ｄＱ
ｔ）を図８に、−３０℃〜９０℃のデータとして示す。
試料Ｎｏ．５のようにＭｎＯ₂量が少ないとｄ₃₁ ²×Ｑ
の温度特性（ｄＱｔ）が極大値を持ち単調減少ではなく
なるのに加えて、焼結体粒径ｒが大きく弾性定数Ｙ₁₁ ^E
が小さくなる。

【００５３】試料Ｎｏ．６、７とＭｎＯ₂量を多くする
と、低温側のｄ₃₁ ²×Ｑが大きくなり、結果的に温度特
性（ｄＱｔ）は単調増減する。更に試料Ｎｏ．８まで多
くすると、温度変化率（ｄＱＲ）が大きくなり、所望す
る特性（４以下）よりはずれる。従ってＭｎＯ₂量の最
適値は１〜２ｍｏｌ％となる。以上により、Ｚｒ／Ｔｉ
比とＭｎＯ₂量の良好範囲が規定される。

【００５４】また、Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃はリ
ラクサとしての添加効果を有しているが、今回更に焼結
体の粒径制御に効果があることを確認した。ＰｂＴｉＯ
₃−ＰｂＺｒＯ₃−Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の
材料において微量のＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃添加
にて粒径は細かくなるが、ある程度以上の添加ではかえ
って粒径ｒが大きくなり、均一かつ安定な圧電体が形成
されにくいため好ましくないことがわかった。

【００５５】Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃量について
試料Ｎｏ．３、４、６、９、１０を比較してみると、試
料Ｎｏ．６は、焼結体粒径ｒが大きくなりすぎて所望の
値（４μｍ以下）よりはずれる。また、試料Ｎｏ．１０
のようにＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ _2/3）Ｏ₃量が少なすぎる
と、ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性（ｄＱｔ）において極大値を
持ち単調減少の特性よりはずれる。従って、Ｐｂ（Ｚｎ
_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃量の最適値は、１〜５ｍｏｌ％であ
る。

【００５６】また、圧電体の焼結後の気孔率ｎが７％以
下とすれば、上記の粒径制御効果と同様に、振動子１を
形成する圧電体全体に渡って均一かつ安定な特性とでき
ることがわかった。これら、焼結体粒径ｒおよび気孔率
ｎによる圧電体の効果は、、特に、左右のアーム部４、
５の振動特性を同じとすることができる。また、実際に
は、ａＰｂＺｒＯ₃−ｂＰｂＴｉＯ₃−ｃＰｂ（Ｚｎ
_1/3Ｎｂ_2/ ₃）Ｏ₃において、Ｐｂ量が理論値すなわち
化学量論値（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）の１〜１．０１倍以内の
範囲で過剰としている。本発明者等の検討によれば、Ｐ
ｂ量が理論値に対して０．９９〜１倍であれば、Ｑ値が
８００〜１０００程度と大きく、１倍よりも多いとＱ値
はほぼ飽和する。

【００５７】従って、他の圧電特性等を考慮すると実用
上、ｄ₃₁ ²×Ｑの値を安定して高いものとするには、Ｐ
ｂ量が理論値の１〜１．０１倍以内の範囲で過剰とする
ことが好ましい。なお、Ｐｂ量は出発原料であるＰｂＯ
の量を変えることで調整可能である。以上、述べたよう
に、圧電特性およびその他の材料特性について検討した
結果、振動子１を形成する圧電体の最適組成範囲を決定
した。そして、この最適組成範囲内で作製した振動子１
を用いた角速度センサは、−４０℃〜８５℃の範囲で、
感度の温度変化率が３％と良好なものとできた。

【００５８】（第２実施形態）本発明の第２実施形態を
図９及び図１０に示す。本実施形態は、図に示すような
４脚音叉形状の圧電体からなる振動子１０１を用い、こ
の振動子１０１の圧電材料として、上記図４及び図５に
示す組成比範囲を有するＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−
Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の材料と、この材料に
対して１〜２ｍｏｌ％含まれるＭｎＯ₂とからなる圧電
材料を用いたものである。図９は本実施形態の角速度セ
ンサの斜視図である。

【００５９】振動子１０１は、略平行に配列された４本
の四角柱状のアーム部１０２、１０３、１０４、１０５
と、各アーム部１０２〜１０５の片端部を共通に固定支
持する共通の連結部１０６とを有し、櫛形音叉形状を成
している。そして、内側一対のアーム部１０３、１０４
が駆動用アーム部、外側一対のアーム部１０２、１０５
が検出用アーム部として構成されている。

【００６０】ここで、図９に示す様に、アーム部１０２
〜１０５の配列方向をｙ軸、アーム部１０２〜１０５の
長手方向をｚ軸、アーム部１０２〜１０５及び連結部１
０６の厚み方向をｘ軸としてｘｙｚ直交座標系が構成さ
れる。ここで、ｚ軸は内側一対のアーム部１０３、１０
４の間の中央部に位置する。以下、このｘｙｚ直交座標
系に基づいて本実施形態を説明する。なお、ｘ軸方向と
いうのはｘ軸と平行な方向をいうものとし、ｙ軸、ｚ軸
についても同様である。

【００６１】また、振動子１０１においてｘ軸と直交す
る面のうち基板１１０と対向する面をＸ２面とし、この
Ｘ２面とは反対側の面をＸ１面とする。また振動子１０
１においてｙ軸と直交する外側一対のアーム部１０２、
１０５の外周面のうちアーム部１０２側の面をＹ２面と
し、アーム部１０５側の面をＹ１面とする。そして、各
アーム部１０２〜１０５および連結部１０６は、図９の
白抜き矢印で示すように、Ｘ１面からＸ２面に向かって
ｘ軸方向に一様に分極処理されている。

【００６２】１０７は例えば４２アロイ等の金属から形
成された支持部であり、中央部が細くくびれた略エの字
型形状を成し、このくびれた部分はトーションビーム１
０８として構成されている。トーションビーム１０８の
一端側に位置する部分は連結部１０６と固定される連結
部側接続部１０７ａ、トーションビーム１０８の他端側
に位置する部分は後述のスペーサ１０７ｃと固定される
基板側接続部１０７ｂとして構成されている。

【００６３】トーションビーム１０８は、連結部１０６
の略中央部位（すなわち内側の１対のアーム部１０３、
１０４の支持部位の間の略中央部位）から、ｚ軸方向に
おいてアーム部１０２〜１０５とは反対側に延びるよう
に位置する。支持部１０７は、図９に示す様に、一方側
で連結部１０６と接着等により固定され、他方側で上記
スペーサ１０７ｃを介して基板（ベース）１１０と溶接
等により接合固定されている。

【００６４】従って、振動子１０１は支持部１０７及び
スペーサ１０７ｃを介し、基板１１０に対して浮遊した
状態で支持される。また、トーションビーム１０８の中
心軸はｚ軸とほぼ一致し、換言すればトーションビーム
１０８は、実質的に振動子１０１の中心線上に位置す
る。次に、振動子１０１上のＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２面
上に形成された電極構成について説明する。その電極構
成は図１０の展開図に示される。図１０において（ａ）
はＸ１面、（ｂ）はＸ２面、（ｃ）はＹ１面、（ｄ）は
Ｙ２面の電極構成を示す。以下、図１０を参照して説明
する。

【００６５】１２０は駆動電極であり、Ｘ１面において
アーム部１０３の外周側から連結部１０６を通ってアー
ム部１０４の外周側に渡って連続して形成されている。
１２１は参照電極であり、Ｘ１面においてアーム部１０
３の内周側から連結部１０６を通ってアーム部１０４の
内周側に渡って連続して形成されている。１２２、１２
３及び１２４は角速度検出用の角速度検出電極である。
角速度検出電極１２２は、Ｙ１面においてアーム部１０
５の略全域に渡って形成されている。一方、角速度検出
電極１２３は、Ｘ１面においてアーム部１０２の略全域
に渡り、角速度検出電極１２４は、Ｘ２面においてアー
ム部１０２の略全域に渡って形成されている。

【００６６】そして、全ての角速度検出電極１２２〜１
２４は、図１０に示す様に、各面上に形成された引出し
電極１２５、１２６及び１２７によって接続され導通し
ている。角速度検出電極１２２と１２３とは、引出し電
極１２５（Ｙ１面上）及び引出し電極１２６（Ｘ１面
上）を介して接続され、角速度検出電極１２３と１２４
とは、引出し電極１２７（Ｙ２面上）を介して接続され
ている。

【００６７】１２８、１２９、１３０及び１３１は、上
記駆動、参照、及び角速度検出電極１２０〜１２４の基
準電位となる共通電極である。共通電極１２８はＸ１面
においてアーム部１０５の略全域、共通電極１２９はＸ
２面においてアーム部１０５の略全域に渡り形成されて
いる。また、共通電極１３０はＸ２面においてアーム部
１０３の略全域から連結部１０６を通ってアーム部１０
４の略全域に渡って連続して形成されており、共通電極
１３１はＹ２面においてアーム部１０２の略全域に渡り
形成されている。

【００６８】そして、全ての各共通電極１２８〜１３１
は、図１０に示す様に、各面上に形成された引出し電極
１３２、１３３、１３４及び１３５によって接続され導
通している。共通電極１２８と１２９とは、引出し電極
１３２（Ｙ１面）を介して接続され、共通電極１２９及
び１３０と共通電極１３１とは、引出し電極１３３、１
３４（共にＸ２面）及び引出し電極１３５（Ｙ２面）を
介して接続されている。

【００６９】また、Ｘ１面において、連結部１０６に
は、後述のワイヤボンディング用のパット電極１３６及
び１３７が形成されている。パット電極１３６は、角速
度検出電極１２２〜１２４と導通する引出し電極１２６
の途中部に、パット電極１３７は、共通電極１２８から
延びる引出し電極１３８の終端部に位置し、それぞれ引
出し電極１２６、１３８よりも幅広に形成されている。
従って、パット電極１３６は角速度検出電極１２２〜１
２４と導通し、パット電極１３７は共通電極１２８〜１
３１と導通する形となる。

【００７０】なお、振動子１０１におけるｙ軸方向と直
交する面のうちアーム部１０２とアーム部１０３との対
向面、アーム部１０３とアーム部１０４との対向面、ア
ーム部１０４とアーム部１０５との対向面には電極は形
成されていない。また、駆動電極１２０と参照電極１２
１、角速度検出電極１２２と共通電極１２８、１２９、
及び角速度検出電極１２３、１２４と共通電極１３１
は、それぞれ隙間を開けて形成され、導通していない。

【００７１】また、図９に示す様に、基板１１０には、
図示しない駆動・検出回路（制御回路）と接続されるリ
ード端子Ｐ１１〜Ｐ１４が設けられている。そして、リ
ード端子Ｐ１１は駆動電極１２０と、リード端子Ｐ１２
はパット電極１３７と、リード端子Ｐ１３は参照電極１
２１と、リード端子Ｐ１４はパット電極１３６と、それ
ぞれワイヤ（リード線）Ｓ１１〜Ｓ１４によって接続さ
れている。上記各ワイヤの結線は、例えばＷＢにて行わ
れる。

【００７２】そして、本実施形態の角速度センサは、上
記駆動・検出回路によって次のように作動する。まず、
駆動電極１２０と共通電極１３０間に交流電圧を印加す
ることにより、内側一対のアーム部１０３、１０４を互
いにｚ軸（つまり振動子１０１の中心線）に対し対称な
ｙ軸方向への屈曲振動をするモードにて共振させる。そ
のときの振幅として参照電極１２１からの出力をモニタ
ーし、参照電極１２１からの出力が一定となるように上
記駆動・検出回路を用いて自励発振（自励振動）させ
る。

【００７３】次に、ｚ軸回りに角速度が入力された場
合、振動している内側一対のアーム部１０３、１０４に
はコリオリ力が発生し、これらアーム部１０３、１０４
は、ｘ軸方向において互いに逆方向に力を受ける。その
とき外側一対のアーム部１０２、１０５も連成してｘ軸
方向に振動するため、角速度に比例したｘ軸方向の振動
振幅を角速度検出電極１２２〜１２４からの出力として
検出し、角速度を検出する。

【００７４】本実施形態においても、上記第１実施形態
と同様の圧電材料を用いて振動子１０１を作製すること
により、感度の温度変化率が良好な角速度センサを提供
することができる。（第３実施形態）本発明の第３実施形態を図１１に示
す。本実施形態は、図に示すような４脚のＨ型音叉形状
の圧電体からなる振動子２０１を用い、この振動子２０
１の圧電材料として、上記図４及び図５に示す組成比範
囲を有するＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｚｎ
_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の材料と、この材料に対して１〜
２ｍｏｌ％含まれるＭｎＯ₂とからなる圧電材料を用い
たものである。図１１は、振動子２０１を前後左右から
みた展開図である。

【００７５】振動子２０１は、４本の平行な四角柱状の
アーム部２０２、２０３、２０４、２０５と連結部２０
６とから構成される。ここで、片側一対のアーム部２０
２、２０３が駆動用アーム部、他側一対のアーム部２０
４、２０５が検出用アーム部として構成されている。ま
た、連結部２０６には、上記各実施形態に示すような支
持部（図示せず）が当接しており、この支持部に固定さ
れた連結部２０６を介して振動子２０１は支持されてい
る。

【００７６】本実施形態では図１１に示す様に、アーム
部２０２〜２０５の配列方向をｙ軸、アーム部２０２〜
２０５の長手方向をｚ軸、アーム部２０２〜２０５及び
連結部２０６の厚み方向をｘ軸としてｘｙｚ直交座標系
が構成される。また、振動子２０１においてｘ軸と直交
する面のうち一側の面をＸ１面とし、他側の面をＸ２面
とする。また振動子２０１においてｙ軸と直交する面で
あって各一対のアーム部２０２と２０３、及び２０４と
２０５が対向しない面のうち一側面をＹ１面とし、他側
面をＹ２面とする。なお、振動子２０１は、Ｘ１面から
Ｘ２面に向かってｘ軸方向に一様に分極処理されてい
る。

【００７７】次に、振動子２０１上のＸ１、Ｘ２、Ｙ
１、Ｙ２面上に形成された電極構成について説明する。
その電極構成は図１１に示される。図１１において
（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２面、（ｃ）はＹ１面、
（ｄ）はＹ２面の電極構成を示す。２０７は片側一対の
アーム部２０２、２０３を駆動するための駆動電極であ
り、Ｘ１面においてアーム部２０２から連結部２０６、
アーム部２０３に渡って連続的に形成されている。２０
８は振動状態をモニタするための参照電極であり、Ｘ１
面においてアーム部２０２から連結部２０６、アーム部
２０３に渡って、駆動電極２０７の外周側に連続的に形
成されている。

【００７８】２０９及び２１０は角速度検出用の角速度
検出電極であり、それぞれアーム部２０４のＹ２面、ア
ーム部２０５のＹ１面に形成されている。角速度検出電
極２０９は、Ｙ２面上の引出し電極２１１を介してＸ１
面上のパット電極２１２に導通し、一方、角速度検出電
極２１０は、Ｙ１面上の引出し電極２１３を介してＸ１
面上のパット電極２１４に導通している。

【００７９】２１５、２１６及び２１７は上記駆動、参
照、角速度検出電極２０７〜２１０の基準電位となる共
通電極である。共通電極２１５はＸ２面の略全域に形成
され、共通電極２１６及び２１７は、それぞれアーム部
２０４のＸ１面、アーム部２０５のＸ１面に形成されて
いる。そして、各共通電極２１５〜２１７は、Ｙ２面及
びＹ１面に形成された引出し電極２１８、２１９によっ
て導通されている。

【００８０】本実施形態においても、各電極と図示しな
い駆動・検出回路（制御回路）との接続は、上記各実施
形態と同様に、リード端子とＷＢのワイヤ等によるリー
ド線との結線にて行われる。本実施形態の作動について
述べる。まず、駆動電極２０７と共通電極２１５間に交
流電圧を印加することにより、片側一対のアーム部２０
２、２０３を互いに振動子２０１の中心線に対し対称な
ｙ軸方向への屈曲振動をするモードにて共振させる。そ
のときの振幅として参照電極２０８からの出力をモニタ
ーし、参照電極２０８からの出力が一定となるように上
記駆動・検出回路を用いて自励発振（自励振動）させ
る。

【００８１】次に、ｚ軸回りに角速度が入力された場
合、振動している片側一対のアーム部２０２、２０３に
はコリオリ力が発生し、これらアーム部２０２、２０３
は、ｘ軸方向において互いに逆方向に力を受ける。その
とき他側一対のアーム部２０４、２０５も連成してｘ軸
方向に振動するため、角速度に比例したｘ軸方向の振動
振幅を角速度検出電極２０９、２１０からの出力として
検出し、角速度を検出する。

【００８２】本実施形態においても、上記第１実施形態
と同様の圧電材料を用いて振動子２０１を作製すること
により、感度の温度変化率が良好な角速度センサを提供
することができる。（他の実施形態）なお、上記実施形態ではｄ₃₁ ²×Ｑの
温度特性が単調減少であったが、ｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性
が−４０℃〜８５℃の範囲で単調増加するものであって
もよい。例えば、８５℃よりも高い温度で極大値を持つ
ようなものが挙げられる。

【００８３】また、本発明のおける振動子を形成する圧
電体は、上記の要件〜を満足するものであれば、Ｐ
ｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）
Ｏ₃系の材料とＭｎＯ₂との焼結体に限定されない。例
えば、ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｍｎ_1/3Ｓ
ｂ_2/3）Ｏ₃系の材料であってもよい。また、水晶等を
用いてもよい。

【００８４】なお、上記図１及び図３において、施して
あるハッチングは、あくまで説明の便宜を図るための表
示であり、断面を示すものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る角速度センサを示
す斜視図である。

【図２】図１における振動子の体格を示す説明図であ
る。

【図３】図１における振動子に形成された各電極の構成
を示す展開図であり、（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２
面、（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面上の電極構成を示
すものである。

【図４】上記第１実施形態の振動子を形成する圧電体の
組成比を示す三元図である。

【図５】図４の部分拡大図である。

【図６】上記第１実施形態における各圧電体の圧電特性
等を示す図表である。

【図７】Ｚｒ／Ｔｉ比とモルフォトロピック相境界（Ｍ
ＰＢ）との関係を示す説明図である。

【図８】ＭｎＯ₂の添加とｄ₃₁ ²×Ｑの温度特性との関
係を示すグラフである。

【図９】本発明の第２実施形態に係る角速度センサを示
す斜視図である。

【図１０】図９の振動子上に形成された電極の構成を示
す展開図であり、（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２面、
（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面を表す。

【図１１】本発明の第３実施形態に係る角速度センサの
振動子の展開図である。

【符号の説明】

１、１０１、２０１…振動子、４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５…アーム部、６、１０６、２０６…連結部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者度會武宏愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】角柱状に形成された少なくとも一対のア
ーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）と
各アーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０
５）の一端を連結する連結部（６、１０６、２０６）と
により音叉形状に形成された圧電体からなる振動子
（１、１０１、２０１）を備え、外部から入力される駆動信号により、前記アーム部
（４、５、１０３、１０４、２０２、２０３）を前記ア
ーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）の
配列方向であるｙ軸方向へ励振させると共に、前記アーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０
５）の長手方向と平行なｚ軸回りに角速度が入力された
ときに、前記アーム部（４、５、１０２、１０５、２０
４、２０５）の前記ｙ軸に直交したｘ軸方向への検出振
動を検出する角速度センサにおいて、前記振動子（１、１０１、２０１）を形成する圧電体の
圧電定数ｄ₃₁およびＱ値の特性は、−４０℃〜８５℃の
温度範囲において、ｄ₃₁ ²×Ｑの最小値が２．５×１０
^-18ｍ²／Ｖ²以上であり、ｄ₃₁ ²×Ｑの最大値と最小
値の比である温度変化率が４以下であり、さらに、ｄ₃₁
²×Ｑの温度特性が単調増減であることを特徴とする角
速度センサ。
【請求項２】前記振動子（１、１０１、２０１）を形
成する圧電体の弾性定数Ｙ₁₁ ^Eが８０ＧＮ／ｍ²以上で
あることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】角柱状に形成された少なくとも一対のア
ーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）と
各アーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０
５）の一端を連結する連結部（６、１０６、２０６）と
により音叉形状に形成された圧電体からなる振動子
（１、１０１、２０１）を備え、外部から入力される駆動信号により、前記アーム部
（４、５、１０３、１０４、２０２、２０３）を前記ア
ーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０５）の
配列方向であるｙ軸方向へ励振させると共に、前記アーム部（４、５、１０２〜１０５、２０２〜２０
５）の長手方向と平行なｚ軸回りに角速度が入力された
ときに、前記アーム部（４、５、１０２、１０５、２０
４、２０５）の前記ｙ軸に直交したｘ軸方向への検出振
動を検出する角速度センサにおいて、前記振動子（１、１０１、２０１）を形成する圧電体
は、ａＰｂＺｒＯ₃−ｂＰｂＴｉＯ₃−ｃＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎ
ｂ_2/3）Ｏ₃で表され、ＰｂＺｒＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、
Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃を頂点とする三角図表
で、Ａ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．４５，０．５０，０．０５）Ｂ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．４７，０．５２，０．０１）Ｃ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５２，０．４７，０．０１）Ｄ（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５０，０．４５，０．０５）の各点を結ぶ線内の領域で表されるＰｂＺｒＯ₃−Ｐｂ
ＴｉＯ₃−Ｐｂ（Ｚｎ_1/ ₃Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系の材料と、
この材料に対して１〜２ｍｏｌ％含まれるＭｎＯ ₂とか
らなる圧電材料であることを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】前記ａＰｂＺｒＯ₃−ｂＰｂＴｉＯ₃−
ｃＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃において、Ｐｂ量が理
論値の１．０１倍以内の範囲で過剰であることを特徴と
する請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項５】前記振動子（１、１０１、２０１）を形
成する圧電体の焼結後の気孔率が７％以下で、平均粒径
が１〜４μｍであることを特徴とする請求項１ないし４
のいずれか１つに記載の角速度センサ。