JP2008064479A - 振動体及びそれを用いた振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化に適し、高感度、高精度かつ安定性に優れた振動体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することである。
【解決手段】本発明の振動体は、基部と、この基部から延出し、圧電体で構成された少なくとも２本の腕部と、これらの腕部に設けられ腕部を屈曲振動させるための駆動用電極を備えた駆動部と、腕部に設けられ駆動用電極によって励振される屈曲振動と直交した振動を検出する検出用電極を備えた検出部と、を有する振動体において、検出部は、駆動部における圧電体と材質が異なると共に、検出用電極に挟持される圧電振動素子を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は車載用カーナビゲーションやロボット、航空機、自動車などの姿勢制御あるいはカメラの手ぶれ補正などのための回転角速度を検出するための振動体からなる振動ジャイロに関する。

振動ジャイロは、感度や分解能は光の干渉を利用したリングレートジャイロや光ファイバジャイロに比べて劣るものの、中精度の性能を持ち、構造が簡素で、部品点数を少なく、安価である。振動ジャイロは、自動車のナビゲーション用の回転角速度センサやハンディカメラ、スチルカメラ、デジタルカメラの手振れ検出などの民生用として市場を拡大している。

近年の小型のＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、携帯電話、さらに移動体通信機器等の普及によって、それらに用いられる振動ジャイロにも更なる小型化、高精度化の要求が高まっている。

一般的に、単一振動をしている質点が回転するときに発生するコリオリ力Ｆｃは、次のような式で示される。
Ｆｃ＝２ｍｖΩ
なお、ｍは振動ジャイロの質量、ｖは振動ジャイロの振動速度、Ωは振動ジャイロの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。振動ジャイロでは、コリオリ力による振動体の変位を、検出用圧電振動素子に発生する電荷で検出している。

図６は、従来の２脚音叉型の振動体を示し、振動ジャイロの構造を以下に説明する（例えば、特許文献１参照。）。振動ジャイロは、振動体１０１を含む。振動体１０１は、直方体状に基部１０２、基部１０２から同じ方向に延びる２本の腕部１０３ａ、１０３ｂとで、音叉型に形成されている。振動体１０１を水晶、ランガサイト系圧電体などの圧電単結晶材料で形成する。振動体１０１は機械加工やウェットエッチングプロセスによって音叉型に形成される。

このような振動ジャイロでは、電極１０４ａ、１０４ｂは、腕部１０３ａ、１０３ｂの主面、側面の一部に形成、または腕部１０３ａ、１０３ｂの主面、側面の全体に形成される。振動体１０１の腕部１０３ａ、１０３ｂの主面および側面に電極が形成する場合、振動体側面に電極を形成するとともに電極に対向する電極が形成されている。電極はＣｒ、Ａｕなどの金属膜をスパッタリング法や真空蒸着やＣＶＤ法などに形成する。

この振動ジャイロでは、腕部１０３ａ、１０３ｂに形成された電極１０４ａ、１０４ｂに駆動信号を入力することにより、腕部１０３ａ、１０３ｂが開閉するようにＹ軸方向へ屈曲振動する。この状態で、腕部１０３ａ、１０３ｂと平行なＺ軸を中心として角速度Ωが加わると、コリオリ力Ｆｃによって腕部１０３ａ、１０３ｂの振動方向が変化しＸ軸方向へ屈曲振動する。

この腕部１０３ａ、１０３ｂの振動方向の変化に対応した信号が、検出用電極から出力される。したがって、コリオリ力Ｆｃに対応した腕部１０３ａ、１０３ｂの振動の変化に
ともない、腕部１０３ａ、１０３ｂに形成された電極から出力される信号を測定することにより、角速度Ωに対応した信号を得ることができる。

特開平１１−１７７３６４号（第７頁、図２）

上記従来の振動体１０１は水晶、ランガサイト系の圧電単結晶材料などで形成され、電極１０４ａ、１０４ｂは腕部１０３ａ、１０３ｂの主面、側面の一部に形成、または腕部１０３ａ、１０３ｂの主面、側面の全体に形成される。しかしこのような構造では駆動振動と角速度の検出を同一の圧電単結晶材料で行っているため振動体およびそれを用いた振動ジャイロの特性を考慮した材料設計を行うことが困難である。

上記従来の振動体１０１を形成している水晶以外のランガサイト系圧電体などの圧電単結晶材料はウェットエッチングなどによる化学的加工が困難であり、機械加工が行われている。しかし機械加工は化学的加工に比べると加工精度が悪く、振動体に与えるストレスの影響が大きいなどから適していない。

上記従来の振動体１０１を水晶で形成する場合、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出用電極から発生する電荷量が圧電単結晶材料の例えば、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３や圧電セラミックスの例えばＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＺｒＯ_３の２成分やＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＺｒＯ_３、Ｐｂ（Ｍｇ_０．５Ｎｂ_０．５）ＴｉＯ_３の３成分で構成されるＰＺＴ系の材料などに比べると小さい。

検出電極から発生する電荷量が小さいとノイズが大きくなりセンサの検出精度が悪くなる。検出精度を向上するために大規模なフィルタ、増幅器などの回路構成が必要になる。よって回路構成部が大きくなり小型化に適していない。

本発明の目的は、小型化に適し、高感度、高精度かつ安定性に優れた振動体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することである。

上記課題を解決するために本発明の振動体は、基部と、この基部から延出し、圧電体で構成された少なくとも２本の腕部と、これらの腕部に設けられ腕部を屈曲振動させるための駆動用電極を備えた駆動部と、腕部に設けられ駆動用電極によって励振される屈曲振動と直交した振動を検出する検出用電極を備えた検出部と、を有する振動体において、検出部は駆動部における圧電体と材質が異なると共に、検出用電極に挟持される圧電振動素子を有することを特徴とするものである。

この構成により、駆動部における圧電体と検出部の圧電振動素子とを異なる材料に選定することができる。駆動部における圧電体として適した振動安定性、温度安定性を持つ材料が選定することができ、検出部の圧電振動素子として適した高い電気機械結合係数ｋを持つ材料を任意に選定でき、高感度、高精度でかつ安定性に優れた振動体を提供できる。

また、腕部のそれぞれに配置される圧電振動素子は同形状、同組成であることを特徴とするものである。

この構成により、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出部の圧電振動素子から発生する電荷量の絶対値をほぼ等しく検出することができる。その結果、高精度でかつ安定性の優れた振動体を提供することができる。

また、腕部のそれぞれに配置される圧電振動素子は配向度の差が１０％以内であることを特徴とするものである。

この構成により、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出部の圧電振動素子から発生する電荷量の絶対値の差が小さくなる。その結果、高精度でかつ安定性の優れた振動体を提供することができる。

また、基部および腕部は、水晶片を用いて構成し腕部の主面上および側面上に設けられた駆動用電極によって屈曲振動されることを特徴とするものである。

この構成により、高い機械的品質係数Ｑ、良好な共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒが得られ、高精度で温度安定性が優れた振動体を提供することができる。

また、圧電振動素子は圧電セラミックスまたは圧電単結晶で構成されることを特徴とするものである。

この構成により、電気機械結合係数ｋの大きな材料を用いることができ、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出用圧電振動素子から発生する電荷量が水晶より大きくなり、小型化に適した振動体を提供することができる。

上記課題を解決するために本発明の振動ジャイロは、上記した振動体を用いて外部から印加された角速度を検出することを特徴とするものである。

この構成により、駆動部における圧電体と検出部の圧電振動素子とを異なる材料に選定することができ、高感度、高精度でかつ安定性に優れた振動体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することができる。また、検出部の圧電振動素子に電気機械結合係数ｋの大きな材料を用いることから、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出部の圧電振動素子から発生する電荷量が駆動部における圧電体より大きくなり、回路への負担を低減し小型化された振動ジャイロを提供することができる。

本発明によれば、駆動部における圧電体と検出部の圧電振動素子とを異なる材料に選定することができ、駆動部の圧電体として適した振動安定性、温度安定性を持つ材料、検出部の圧電振動素子として適した高い電気機械結合係数ｋを持つ材料を任意に選定できる。その結果、高感度、高精度でかつ安定性に優れた振動体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することができる。

また、検出部の圧電振動素子に電気機械結合係数ｋの大きな材料を用いることから、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出部の圧電振動素子から発生する電荷量が駆動部の圧電体より大きくなる。その結果、出力が大きくノイズが小さくなること等で回路への負担を低減し小型化された振動ジャイロを提供することができる。

図１は本発明の振動体の一例を示す斜視図である。振動体１は、直方体状の基部２を含む。基部２から延出し、互いに間隔を隔てて２本の腕部３ａ，３ｂが構成され、音叉型の形状をなしている。基部２と腕部３ａ，３ｂは圧電体である水晶片により形成されている。図２は図１に示す本発明の振動体１の断面図である。図２（ａ）は腕部３ａの断面図を示し、図２（ｂ）は腕部３ｂの断面図を示す。

腕部３ａ，３ｂの主面上及び側面上の駆動部１７ａ、１７ｂに、それぞれ駆動用電極４ａ、４ｂを配置する。駆動用電極４a、４ｂは電気的に分離されており、互いに異なる電圧を与えることによって、水晶片の内部に電界を生じさせることができる。なお水晶片は圧電単結晶材料であるので、内部に生じる電界の方向に応じて伸縮し、この伸縮運動によって腕部３ａ，３ｂを屈曲振動させることが可能である。このときに励振される腕部３ａ，３ｂを開閉させる屈曲振動の方向がＹ軸方向である。

腕部３ａ，３ｂの主面上の検出部１８ａ、１８ｂに、それぞれ検出用下部電極５ａ、５ｂと検出用下部電極５ａ、５ｂと圧電振動素子で構成された検出用圧電振動素子６ａ、６ｂと検出用上部電極７ａ、７ｂを配置する。検出用下部電極５ａ、５ｂ上にそれぞれ腕部を構成する圧電体である水晶以外の圧電セラミックスまたは圧電単結晶で構成された検出用圧電振動素子６ａ、６ｂを配置する。

検出用圧電振動素子６ａ、６ｂ上にそれぞれ検出用上部電極７ａ、７ｂを配置する。したがって、検出用圧電振動素子６ａ、６ｂは、検出用下部電極５ａ、５ｂと検出用上部電極７ａ、７ｂとで挟持された構成となる。

腕部３ａ，３ｂと平行なＺ軸を中心として角速度Ωが加わると、コリオリ力Ｆｃによって腕部３ａ，３ｂの振動方向が変化しＸ軸方向へ屈曲振動する。この腕部３ａ，３ｂの振動方向の変化に対応した信号が、検出用下部電極５ａ、５ｂと検出用上部電極７ａ、７ｂから出力される。

したがって、コリオリ力Ｆｃに対応した腕部３ａ，３ｂの振動の変化にともない、腕部３ａ，３ｂに配置された検出用下部電極５ａ、５ｂと検出用上部電極７ａ、７ｂから出力される信号を測定することにより、角速度Ωに対応した信号を得ることができる。

本発明の振動体1の構成により、腕部３ａ，３ｂを構成し駆動部１７ａ、１７ｂにおける圧電体（以下、駆動用圧電体と称する）と検出部１８ａ、１８ｂの検出用圧電振動素子６ａ、６ｂとを異なる材料に選定することができる。その結果、駆動用圧電体として適した振動安定性、温度安定性を持つ材料（例えば水晶片）を任意に選定できる。そして、検出用圧電振動素子６ａ、６ｂとして適した高い電気機械結合係数ｋを持つ材料（水晶片とは異なる材料）を任意に選定できる。

本発明のそれぞれの検出用圧電振動素子６ａ、６ｂは形状、組成が異なると腕部３ａ，３ｂと平行なＺ軸を中心として角速度Ωが加わったときの検出用圧電振動素子６ａ、６ｂから発生する電荷量の絶対値が異なる。その結果、精度かつ安定性に悪影響を及ぼす。よって同形状、同組成の圧電セラミックス、圧電単結晶で構成することが望ましい。

検出用圧電振動素子６ａ、６ｂで用いられる圧電セラミックス、圧電単結晶の組成は例えば、ペロブスカイト構造のＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＺｒＯ_３で構成されるＰＺＴやＢａＴｉＯ_３、ビスマス層状構造のＢｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、ＣａＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５、Ｓｒ_２Ｂｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８、などが適している。

ビスマス層状構造は化学式（Ｂｉ_２Ｏ_２）^２＋（Ａ_ｍ−１Ｂ_ｍＯ_３ｍ＋１）^２−で表される。ただし、化学式中のＡはＡサイトに入る１、２、３価のイオンを示し、Ｂｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、などの希土類元素およびこれらのイオンの組み合わせを示し、化学式中のＢはＢサイトに入る４、５、６価のイオンを示し、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属元素およびこれらのイオンの組み合わせを示しｍ＝１から８の整数である。

これらの化合物は、大部分が強誘電体であり、種々の特徴を有するため、圧電応用上幅広く利用されている化合物である。

ビスマス層状構造は、比較的粗な充填をした（Ｂｉ_２Ｏ_２）^２＋層と、密な充填をした（ｍ−１）個の仮想ペロブスカイト格子（ＡＢＯ_３）からなる擬ペロブスカイト層［（Ａ_ｍ−１Ｂ_ｍＯ_３ｍ＋１）^２−］が交互に積み重なった結晶構造をもち、ｍは酸素八面体の積み重なり数を表わし、全体でビスマス層状構造強誘電体の単位格子を表す。

これらの結晶構造の大きな特長は、ａ軸の格子定数とｂ軸の格子定数はほぼ同じであるがｃ軸の格子定数とａ軸、ｂ軸の格子定数の比は非常に大きく結晶異方性を有している。

ビスマス層状構造強誘電体は結晶異方性が大きく斜方晶でａ軸方向に大きな自発分極をもち大きな圧電特性を示す。一方、ｃ軸方向の自発分極は極めて小さいという性質を有するため、結晶がｃ軸方向に多く整列した場合、自発分極量が小さく圧電特性は小さい。

検出用圧電振動素子６ａ、６ｂに用いられるペロブスカイト構造、ビスマス層状構造などの圧電セラミックスは、結晶異方性から配向度Ｆによって圧電特性が異なる。配向度が大きく異なると、腕部３ａ，３ｂと平行なＺ軸を中心として角速度Ωが加わったときの検出用圧電振動素子６ａ、６ｂから発生する電荷量の絶対値が大きく異なる。その結果、精度かつ安定性に悪影響を及ぼす。よって検出用圧電振動素子６ａ、６ｂは配向度Ｆの差が±１０％であることが望ましい。

配向度ＦとはＬｏｔｇｅｒｉｎｇ法で算出さている結晶粒子配向の度合いを示す指標である。配向度はＦ＝（Ｐ−Ｐ_０）／（１−Ｐ_０）×１００[％]で示され、Ｐ_０は配向したときの、全てのＸ線回折パターンのピーク強度（ｈｋｌ）とｃ軸のピーク強度（００ｌ）の比を示し、無配向のときの、全てのＸ線回折パターンのピーク強度（ｈｋｌ）とｃ軸のピーク強度（００ｌ）の比を示す。

駆動用電極４ａはＶＤＤ電極パッド８と配線され、駆動用電極４ｂはＶＳＳ電極パッド９と配線される。ＶＤＤ電極パッド８とＶＳＳ電極パッド９からそれぞれ、ワイヤーボンディングで駆動用ＩＣ部と接続される。検出用下部電極５ａ、５ｂはそれぞれＧＮＤ電極パッド１０ａ、１０ｂと配線される。ＧＮＤ電極パッド１０ａ、１０ｂからそれぞれ、ワイヤーボンディングでＩＣ部などと接続される。

検出用上部電極７ａ、７ｂはそれぞれ検出用電極パッド１１ａ、１１ｂと配線される。検出用電極パッド１１ａ、１１ｂからそれぞれ、ワイヤーボンディングで検出用ＩＣ部などと接続される。

ワイヤーボンディングの材質は電極パッドの共通の材質が望ましい。本発明の振動体ではアルミ（Ａｌ）または金（Ａｕ）が適している。以上に示した本発明の振動体１は、下記のような方法によって作製することが可能である。図３は振動体１の作製方法の前半の工程を示した図である。

図３（ａ）は、本発明の振動体を構成する水晶基板１２を示す。水晶基板１２は水晶の結晶方向のＺ軸に対してほぼ垂直な面すなわちＺ軸に対して８５度〜９５度の角度をなす面を平面とした基板であり、一般的にＺ板と呼ばれる水晶基板である。

図３（ｂ）は、表裏の平面に、電極膜１３と感光性材料からなるレジスト層１４を積層して形成した水晶基板１２を示す。電極膜１３は水晶のエッチングに対して耐食性を有する。なお本発明の振動体では電極膜１３として水晶基板１２上に０．０５μｍの厚みで密
着層として成膜したクロム（Ｃｒ）膜とそのＣｒ膜上に０．１５μｍの厚みで成膜した金（Ａｕ）膜とからなる積層膜を使用した。

密着層はチタン（Ｔｉ）膜でそのＴｉ膜の上にプラチナ（Ｐｔ）などを成膜しても構成可能である。またレジスト層１４として東京応化（株）製のポジ型レジストＯＦＰＲ−８００を使用した。

図３（ｃ）は水晶基板１２の表裏両方の平面をマスク１５によって振動体の形状を形成する方法を示す。レジスト層１４をそれぞれ所定の波長の紫外線ＵＶで露光し、レジスト層パターンを形成する。図３（ｄ）はマスク１５をレジストパターンとして使用してレジスト層１４をエッチングする。この時、レジスト層パターンは、マスク１５と同じ形状である。

図３（ｅ）はレジストパターン形成後に電極膜１３をエッチングした状態を示す。例えば王水によってＡｕ膜をエッチングし、硝酸系のエッチング液によってＣｒ膜をエッチングし、振動体の形状を形成する。図３（ｆ）はレジスト層１４を除去した状態を示す。レジスト層１４に用いられたＯＦＰＲ−８００はアセトンによって容易に除去することができる。

図３（ｇ）は、水晶基板１２をエッチングして振動体の外形を形成した状態を示す。この時、水晶基板１２のエッチングされない面はマスク１５とほぼ同じ形状で形成される。よってマスク１５と同じ形状で形成されることになる。このエッチングされなかった部分が本発明の振動体の外形形状である。なお、７０℃のフッ酸水溶液によって、４時間のエッチング処理を行い、振動体の外形形状を形成した。

その後、図３（ｃ）から図３（ｆ）に示すのと同様な手順で駆動用電極４ａ、４ｂ、下部電極５ａ、５ｂ、各電極パッド８、９、１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂを形成する。

図４は振動体１の作製方法の後半工程を示した図である。図４（ａ）は駆動用電極４ａ、４ｂ、下部電極５ａを形成した後の腕部３ａの断面図を示す。図４（ｂ）は検出用圧電振動素子６ａを形成するために検出用圧電振動素子用マスク１６を用意した状態を示す。検出用圧電振動素子用マスク１６は材質が金属のメタルマスクや有機物によるフィルム状のマスクが適当である。

図４（ｃ）は検出用圧電振動素子６ａを形成した状態を示す。検出用圧電振動素子６ａはスパッタ法により形成した。成膜条件は電源出力４５０Ｗ、アルゴンと酸素の混合雰囲気中、基板温度２００度から８００度である。検出用圧電振動素子６ａを形成する方法として蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、エアロゾルデポジション法でも可能である。

図４（ｄ）は上部電極７ａを形成した状態を示す。上部電極７ａはスパッタ法により形成した。その後、印加電圧２０Ｖ程度で分極処理を行う。図４（ｅ）は、以上のようにして作製された腕部３ａの断面図を示す。腕部３ｂも同様の手順で作製されている。

また検出用圧電振動素子６ａ、６ｂがバルク状の圧電セラミックスの場合は水晶基板１２に電極を形成後に常温直接接合法により接合してもよい。接合後にウェットエッチングプロセスやドライエッチングプロセスを用いて任意の形状に加工する。

本発明の振動ジャイロは振動体１を図５に示すように構成する。ＶＤＤ電極パッド８とＶＳＳ電極パッド９間に発振回路２０が接続される。発振回路２０は、たとえば増幅回路と位相補正回路とを含み、ＶＤＤ電極パッド８から出力される信号を増幅し、位相補正し
てＶＳＳ電極パッド９に与えられる。

これにより、音叉状の２本の腕部３ａ、３ｂが開閉するようにしてＹ軸方向に屈曲振動する。また、ＧＮＤ電極パッド１０ａ、１０ｂは電気的に接地されている。また、検出用電極パッド１１ａ、１１ｂは、差動回路２１に接続される。差動回路２１は、たとえばオペアンプや抵抗などによって構成される。

さらに、差動回路２１の出力端は、同期検波回路２２に接続される。同期検波回路２２では、たとえば発振回路２０の信号に同期して、差動回路２１の出力信号が検波される。同期検波回路２２の出力信号は、積分回路２３で直流信号に変換される。さらに、積分回路２３の出力信号は、直流増幅回路２４で増幅される。

本発明の振動ジャイロでは、ＶＤＤ電極パッド８とＶＳＳ電極パッド９間に発振回路２０が接続されることにより、腕部３ａ、３ｂが開閉するようにＹ軸方向に振動する。ここで与えられる駆動信号は、振動体１の共振周波数に相当する信号である。この駆動信号によって、腕部３ａ、３ｂには、屈曲振動が生じる。

このとき、振動体１の２つの腕部３ａ，３ｂは、分極方向に対して同じ状態で振動するため、検出用電極パッド１１ａ、１１ｂから出力される信号は同じである。そのため、差動回路２１からは、信号が出力されない。

振動体１の腕部３ａ，３ｂが開閉するように屈曲振動している状態で、腕部３ａ，３ｂが基部２から延出する向きのｚ軸を中心として回転角速度Ωが加わると、Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向にコリオリ力Ｆｃが働く。したがって、このコリオリ力Ｆｃによって腕部３ａ，３ｂは、開閉する向きに加わる駆動力とコリオリ力Ｆｃとが合成された向きに振動する。

コリオリ力Ｆｃによって、腕部３ａ，３ｂは、検出用圧電振動素子６ａ、６ｂが並んだ向きに変位する。このような腕部３ａ，３ｂの変位により、一方の検出用圧電振動素子６ａが厚み方向に伸びたとき、他方の検出用圧電振動素子６ｂは厚み方向に縮む。逆に、一方の検出用圧電振動素子６ａが縮んだとき、他方の検出用圧電素子６ｂが伸びる。

そのため、無回転時に比べて、一方の検出用圧電振動素子６ａの出力が増加したとき、他方の検出用圧電振動素子６ｂの出力が減少する。また、無回転時に比べて、一方の検出用圧電振動素子６ａの出力が減少したとき、他方の検出用圧電振動素子６ｂの出力が増加する。したがって、差動回路２１で検出用電極パッド１１ａ、１１ｂの出力信号の差をとれば、コリオリ力に対応した大きい信号を得ることができる。

差動回路２１の出力信号は、同期検波回路２２で、発振回路２０の信号に同期して検波される。それにより、差動回路２１の出力信号の正部分のみまたは負部分のみが検波される。同期検波回路２２の出力信号は積分回路２３で直流信号に変換され、さらに直流増幅回路２４で増幅される。

検出用電極パッド１１ａ、１１ｂからの出力信号のレベルは、振動体１の腕部３ａ，３ｂの変位の大きさによって決まるため、大きいコリオリ力Ｆｃが働くと、主力信号のレベルは大きくなる。したがって、直流増幅回路２４の出力信号のレベルから、回転角速度Ωの大きさを検出することができる。

また、回転角速度Ωが加わる方向によって、振動体１の２つの腕部３ａ，３ｂにかかるコリオリ力Ｆｃの方向が変わる。そのため、２つの検出用電極パッド１１ａ、１１ｂから
出力される信号の位相も変わり、差動回路２１からは、回転角速度Ωの方向によって、逆位相の信号が出力される。

したがって、同期検波回路２２では、一方向に回転角速度Ωが加わったとき信号の正部分が検波されるとすると、他方向に回転角速度Ωが加わったとき信号の負部分が検波される。そのため、回転角速度Ωの加わる方向によって、直流増幅回路２４の出力信号の極性が変わる。つまり、直流増幅回路２４の出力信号の極性から、回転角速度の加わった方向を知ることができる。

本発明の振動体の駆動用圧電体と検出用圧電振動素子を異なる材料に選定する構成により、駆動用圧電体として適した振動安定性、温度安定性を持つ材料が選定することができ、検出用圧電振動素子として適した高い電気機械結合係数ｋを持つ材料を任意に選定できる。その結果、図５の回路により得られた振動ジャイロの出力は高感度、高精度でかつ安定性に優れている。

本発明の腕部にそれぞれ配置される検出用圧電振動素子は同形状、同組成である構成により、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出用圧電振動素子から発生する電荷量の絶対値をほぼ等しく検出することができる。その結果、図５の回路により得られた振動ジャイロの出力は高精度でかつ安定性に優れている。

本発明の腕部にそれぞれ配置される検出用圧電振動素子は配向度の差が１０％以内である構成により、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出用圧電振動素子から発生する電荷量の絶対値の差が小さくなる。その結果、図５の回路により得られた振動ジャイロの出力は高精度でかつ安定性に優れている。

本発明の検出用圧電振動素子は圧電セラミックス、圧電単結晶を用いて構成することより、電気機械結合係数ｋの大きな材料を用いることができ、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出用圧電振動素子から発生する電荷量が水晶より大きくなり、図５の回路に示した回路を構成する面積が縮小でき小型化に適した振動体を提供することができる。

本発明は上記の形態に限定されず、請求の範囲を逸脱しない範囲で様々な変更を行うことができる。また上記の形態の構成は一部を省略することが可能である。

上記の構成により、駆動用圧電体と検出用圧電振動素子を異なる材料に選定することができ、駆動用圧電体として適した振動安定性、温度安定性を持つ材料、検出用圧電振動素子として適した高い電気機械結合係数ｋを持つ材料を任意に選定できる。その結果、高感度、高精度でかつ安定性に優れた振動体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することができる。

また、検出用圧電振動素子に電気機械結合係数ｋの大きな材料を用いることから、振動体にＺ軸方向の角速度が与えられたときに腕部に配置されるそれぞれの検出用圧電振動素子から発生する電荷量が水晶で構成される駆動用圧電体より大きくなる。その結果、出力が大きくノイズが小さくなること等で回路への負担を低減し小型化された振動ジャイロを提供することができる。

本発明の振動体の一例を示す斜視図である。 図１に示す振動体の一例における断面図である。 本発明の振動体の作製方法の前半工程を示した図である。 本発明の振動体の作製方法の後半工程を示した図である。 図１に示す振動体を振動ジャイロとして使用するための回路を示すブロック図である。 従来の振動ジャイロの振動体の斜視図である。

符号の説明

１、１０１ 振動体
２、１０２ 基部
３ａ，３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ 腕部
１０４ａ、１０４ｂ…電極
４ａ、４ｂ 駆動用電極
５ａ、５ｂ 検出用下部電極
６ａ、６ｂ 検出用圧電振動素子
７ａ、７ｂ 検出用上部電極
８ ＶＤＤ電極パッド
９ ＶＳＳ電極パッド
１０ａ、１０ｂ ＧＮＤ電極パッド
１１ａ、１１ｂ 検出用電極パッド
１２ 水晶基板
１３ 電極膜
１４ レジスト層
１５ マスク
１６ 検出用圧電振動素子形成用マスク
１７ａ、１７ｂ 駆動部
１８ａ、１８ｂ 検出部
２０ 発振回路
２１ 差動回路
２２ 同期検波回路
２３ 積分回路
２４ 直流増幅回路

Claims (6)

1. 基部と、
   この基部から延出し、圧電体で構成された少なくとも２本の腕部と、
   これらの腕部に設けられ、前記腕部を屈曲振動させるための駆動用電極を備えた駆動部と、
   前記腕部に設けられ、前記駆動用電極によって励振される前記屈曲振動と直交した振動を検出する検出用電極を備えた検出部と、を有する振動体において、
   前記検出部は、前記駆動部における前記圧電体と材質が異なると共に、前記検出用電極に挟持される圧電振動素子を有することを特徴とする振動体。
2. 前記腕部のそれぞれに配置される前記圧電振動素子は同形状、同組成であることを特徴とする請求項１に記載の振動体。
3. 前記腕部のそれぞれに配置される前記圧電振動素子は配向度の差が１０％以内であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動体。
4. 前記基部および前記腕部は水晶片を用いて構成し、前記腕部の主面上および側面上に設けられた前記駆動用電極によって前記屈曲振動されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動体。
5. 前記圧電振動素子は圧電セラミックスまたは圧電単結晶で構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体。
6. 請求項１から５のいずれかに一項に記載の振動体を用いて、外部から印加された角速度を検出することを特徴とする振動ジャイロ。

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