| 【発明の名称】 |
圧電振動体 |
| 【発明者】 |
【氏名】西村 道明
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| 【要約】 |
【課題】重心のずれによって発生する線形加速度のノイズによる回転運動の検出感度の低下を抑制し、且つ、駆動振動部内で発生するスプリアス振動を有効に抑制でき、出力感度を向上させることができる圧電振動体を提供する。
【解決手段】本発明は、矩形状結合基部２の対向する一方の側面に、一対の駆動振動枝３、４を、他方の側面に一対の検出振動枝５、６を夫々配置するとともに、前記一対の検出振動枝５、６に跨るように該検出振動枝５、６の延出方向と直交する保持枝７を配置した圧電振動体において、前記保持枝７は、検出側振動枝５、６の所定振動の節部分となる位置に配置されるとともに、圧電振動体１の重心が保持枝の中心に位置させるために矩形状結合基部２の両端部を検出振動枝の外方に突出させた圧電振動体１である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 矩形状結合基部の対向する一方の側面に駆動電極が形成された一対の駆動振動枝から成る駆動振動部を、他方の側面に検出電極が形成された一対の検出振動枝からなる検出振動部を夫々配置し、且つ前記一対の検出振動枝間に跨るように該検出振動枝の延出方向と直交する保持枝を配置するとともに、該保持枝に前記駆動電極に接続する駆動入力電極及び前記検出電極と接続する検出出力電極を形成した圧電振動体において、前記保持枝は、検出側振動枝の所定振動の節部分となる位置に配置されているとともに、圧電振動体の重心が保持枝の中心に位置するように矩形状結合基部の両端部が検出振動枝よりも外方に突出していること特徴とする圧電振動体。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、角速度センサに用いる圧電振動体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】カメラのブレ補正、自動車のカーナビゲーション、移動体の姿勢制御に用いられる角速度センサが種々提案されている。
【０００３】本出願人は駆動電極が形成された２つの駆動振動枝から成る駆動振動部と、検出電極が形成された２つの検出振動枝と、入出力電極が形成された検出振動枝の間に跨る１つの保持枝とから成る検出振動部とが、矩形状の結合基部の対向しあう一対の側面に夫々一体的に配置して成る圧電振動体を提案した。
【０００４】このような圧電振動体は、実際に実装をする際には、平板形状や凹部形状の基台に載置されて用いられていた。
【０００５】基台は、その表面に、圧電振動体の検出振動枝の検出電極、駆動振動枝の駆動電極と電気的に接続される配線パターン及び圧電振動体を機械的に保持する保持手段が形成されていた。例えば、基台の表面少なくとも駆動振動枝、検出振動枝と基台の間に、振動可能な空間を確保し、且つ上述の電気的な接続を達成するための突起部、例えば導電性スペーサが配置されていた。尚、検出電極、駆動電極と電気的な接続は、保持枝に形成された駆動入力電極、検出出力電極を介して配線パターンに電気的に接続されている。
【０００６】この導電性スペーサの構成を容易にし、且つ保持構造を簡略化するためには、圧電振動体の下面で１点で支持にすることが望ましい。
【０００７】このような圧電振動体において、駆動振動部の駆動電極に外部回路から所定の電気的な信号が与えられると、所定共振周波数の音叉振動が発生する。
【０００８】この圧電振動体の駆動振動部が音叉振動をしている状態で、圧電振動素子に回転運動（角速度）が加わると、該音叉振動にコリオリの力が作用して、検出振動部に音叉振動と異なる振動、例えば、バタ足振動やベンディング振動が発生する。
【０００９】例えば、バタ足振動は、回転角速度に比例した振幅で、圧電基板の平面に対して垂直方向に、且つ２つの駆動振動枝が交互対象に振動する。
【００１０】このバタ足振動が検出振動部の検出振動枝に伝わり、検出振動枝がバタ足振動を行う。このバタ足振動を検出電極により、電気信号に変換することにより、所定角速度に対応した検出信号を検出出力電極から抽出することができる。
【００１１】ところで、圧電振動体を保持するための保持枝は上述の動作と直接関係がない。このため、保持枝は検出枝のバタ足振動に悪影響を与えないようにするため、この振動の節となる位置で、２つの検出振動枝に跨がるように形成していた。これにより、圧電振動体の機械的共振尖鋭度（Ｑ値）と、出力感度を低下することを防止する。
【００１２】また、検出振動部のバタ足振動が駆動振動部の基本音叉振動に直接伝搬し影響を与えたりしないように制御するためには、夫々の振動部の振動（基本音叉振動、バタ足振動）の固有共振周波数に若干の差を付けておくことが重要となる。例えば、両振動部の固有共振周波数の周波数差△ｆを２００〜３００Ｈｚ、例えば、２５０Ｈｚ等である。
【００１３】このような周波数差を所定値とするためには、各振動部の固有共振周波数を調整してやれば良い。具体的には、一方の振動部の振動枝の先端部分の端面を研磨除去して、実質的に振動枝の質量を低下させる。この固有共振周波数の制御は、周波数を上げる一方のみの調整となるが、例えば、固有共振周波数を高く設定している駆動振動部のみを周波数調整を行えば、その周波数差を広げることができ、あるいは、仮に、固有共振周波数を低く設定している検出振動部のみを周波数調整を行えば、その周波数差を狭くすることができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の圧電振動体は基台に１点で支持される構造であり、仮に圧電振動体の重心が保持枝の中央に一致しない場合、回転運動以外のある１方向への線形の加速度が加われば、検出振動枝にバタ足振動に似た振動が発生し、出力信号にノイズを発生させ、回転運動自体の出力感度を低下させる。
【００１５】上述の構造の駆動振動部と検出振動部の関係では、上述の共振周波数の制御が重要となるものの、実際の動作において、駆動振動枝と検出振動枝間の干渉が起こり、基本音叉振動以外のスプリアス振動が発生してしまう。このスプリアス振動が基本音叉振動の近傍に生じ、基本振動とスプリアス振動の対応が取り難く、スプリアス振動の制御が非常に困難であった。
【００１６】本発明は、上述の問題点に鑑みて提案されたものであり、その目的は、重心のずれによって発生する線形加速度のノイズによる回転運動の検出感度の低下を抑制し、且つ、駆動振動部内で発生するスプリアス振動を有効に抑制でき、出力感度を向上させることができる圧電振動体を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、矩形状結合基部の対向する一方の側面に駆動電極が形成された一対の駆動振動枝から成る駆動振動部を、他方の側面に検出電極が形成された一対の検出振動枝からなる検出振動部を夫々配置し、且つ前記一対の検出振動枝間に跨るように該検出振動枝の延出方向と直交する保持枝を配置するとともに、該保持枝に前記駆動電極に接続する駆動入力電極及び前記検出電極と接続する検出出力電極を形成した圧電振動体において、前記保持枝は、検出側振動枝の所定振動の節部分となる位置に配置されているとともに、圧電振動体の重心が保持枝の中心に位置するように矩形状結合基部の両端部が検出振動枝よりも外方に突出していること特徴とする圧電振動体である。
【００１８】
【作用】本発明によれば、保持枝は検出振動枝の所定振動、バタ足振動の節となる位置で、１対の検出振動枝に跨がって配置されている。従って、保持枝の存在は音叉振動や所定振動に対して何ら悪影響を与えることはない。逆に、保持枝の形成位置は、所定振動によって規制されることになり、圧電振動体の重心位置が、この保持枝の中心部分に位置するとは限らない。
【００１９】そこで、本発明では、矩形状結合基部は検出枝の外側まで伸びており、矩形状結合基部の両端部、検出振動枝の外側に突出した突出量を調整することにより、圧電振動体の重心位置を保持枝の中心に設定することができる。これにより、線形加速度等により発生するノイズを低減することができる。
【００２０】即ち、圧電振動体の機械的共振尖鋭度（Ｑ値）、出力感度を向上することができるとともに、同時に、線形加速度等により発生するノイズを低減することができる。
【００２１】また、結合基部の両端部の突出量によって、駆動振動枝の音叉振動を、この駆動振動枝と結合基部のみに有効に閉じ込めることが可能となる。即ち、一対の駆動振動枝は、一対の駆動振動枝の先端部の間隔が広がったり、狭まったりする振動を起こす。この音叉振動により、駆動振動枝と結合基部は、一対の駆動振動枝の間隔の中心部分、即ち、結合基部のの中心が振動の腹となる振動が発生する。
【００２２】この振動は、結合基部の両端部の端面及び検出振動枝との結合基部で反射を起こすが、検出振動枝の外方に突出する結合基部の両端部分の突出量の長さの設定により、駆動振動枝につられて発生する検出振動枝の不要な振動を抑制することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】図１は本発明の圧電振動体の表面側の外観斜視図であり、図２はその裏面側の斜視図である。図３は圧電振動体の駆動振動部の電気的接続状況を説明する概略図であり、図４は圧電振動体の検出振動部の電気的接続状況を説明する概略図である。尚、図５と同一部分は同一記号で説明する。
【００２４】本発明の圧電振動体１は、駆動振動部１Ａと検出振動部１Ｂと矩形状結合基部２とから構成されている。
【００２５】圧電振動体１は、例えば水晶の結晶分極軸に応じて所定カット、例えばＺカットされた水晶基板などが例示できる。そのほかに所定方向に分極処理された圧電性セラミック基板なども例示できる。
【００２６】結合基部２の対向しあう一対の側面の一方側には、駆動振動部１Ａが、他方側に検出振動部１Ｂが配置されないる。
【００２７】駆動振動部１Ａは主に、１対の駆動用振動枝３、４から成り、駆動振動枝３、４は互いに平行に同一方向に延びている。
【００２８】また検出振動部１Ｂは主に、１対の検出振動枝５、６、保持枝７から成り、２つの検出振動枝５、６は、互いに平行に駆動振動部１Ａの振動枝３、４が延出する方向と逆の方向に延びている。また、保持枝７は、検出振動枝５、６間に、該検出振動枝５、６の延出方向と直交するように跨がって配置されている。この保持枝７の中心の下面で図５に示すように基台１０に固定される。
【００２９】また、保持枝７は検出振動枝５、６に発生する所定振動、例えはバタ足振動のの振動の節になる位置で接合している。従って、圧電振動体１は実質的に左右対象形状となっているため、圧電振動体１の重心は、左右対象の対象線上に存在していることになる。この重心を保持枝７に位置させるために、矩形状結合基部２の両端部の突出量、即ち、矩形状結合基部２の幅方向の長さによって決定され、矩形状結合基部２の両端部が、検出振動枝５、６の外方に突出部２ｘ、２ｙが設けられている。
【００３０】ここで、検出振動枝５、６の外方に突出する突出部２ｘ、２ｙの突出量は、突出部２ｘ、２ｙの先端と駆動振動部１Ａの駆動振動枝３、４の根本中心部分までの部分が、駆動振動部１Ａの音叉振動によって共振しないよう、即ち、その部分の距離が音叉振動の共振周波数（波長λ）の１／４λの長さを越えないように、検出振動枝５、６の外方に突出させる。
【００３１】例えば、駆動振動部１Ａの音叉振動の共振周波数２０ｋＨｚ程度、駆動振動枝３、４の幅が０．５ｍｍの時、駆動振動枝３、４の長さは４ｍｍ程度となる。結合基部２の寸法によっても異なるが、結合基部２の駆動振動枝３、４と検出振動枝５、６との根元部分の間の寸法が０．５ｍｍとした時には、突出部２ｘ、２ｙの先端と駆動振動部１Ａの駆動振動枝３、４の根本中心部分までの部分の距離が、２ｍｍ以下とするようにすればよい。
【００３２】また、駆動振動部１Ａとなる駆動振動枝３、４、検出振動部となる検出振動枝５、６、保持枝７及び矩形状結合基部２の主面及びまたは側面には夫々各種所定電極、導体膜が形成されている。尚、この所定電極や導体膜は、例えばクロム、Ａｕなどの蒸着やスパッタリングなどの薄膜技法によって形成されている。
【００３３】まず、駆動振動部１Ａにおいて、２つの駆動振動枝３、４の各４面には、所定駆動信号を振動に変換させるための駆動電極３１〜３４、４１〜４４が形成されている。また、ワイヤーボンディング７１ａ、７２ａを介し、保持枝７の両主面に駆動入力電極７１、７２が延長されている。
【００３４】次に、検出振動部１Ｂにおいて、２つの検出振動枝５、６には、角速度に対応するバタ足振動等を検出信号に変換するための検出電極５１〜５４、６１〜６４が、形成されている。具体的には、検出振動枝５の一方主面には、２つの検出電極５１、５２とが検出振動枝５の延出方向に所定間隔を隔てて平行に並んで形成されており、検出振動枝６の一方主面には２つの検出電極６１、６２とが検出振動枝６の延出方向に所定間隔を隔てて平行に並んで形成されており、同様に、検出振動枝５、６の他方主面にも２つの検出電極５３、５４と６３、６４が平行に並んで形成されている。
【００３５】また、保持枝７の両主面には検出振動枝５、６から延長された検出出力電極７３〜７８が形成されている。
【００３６】例えば、図１に現れる表面側においては、検出振動枝５、６上に検出電極５１、５２、６１、６２が、保持枝７の表面側においては駆動入力電極７１、検出出力電極７３、７４が形成され、図２に現れる裏面側においては、検出振動枝５、６上に検出電極５３、５４、６３、６４が、保持枝７上には駆動入力電極７１、が引き回された駆動入力電極７９、駆動入力電極７２、検出出力電極７５、７６が形成されている。尚、検出出力電極７７は同電位の検出出力電極７３、７５を接続するために、検出出力電極７８は同電位の検出出力電極７４、７６を接続するために、保持枝７を周回するように形成されている。
【００３７】また、駆動振動部１Ａの駆動振動枝３、４の駆動電極３１、３３、４２、４４と保持枝７の駆動入力電極７１を接続するために、ワイヤーボンディング７１ａ及び結合基部２、駆動振動枝３、４の先端または基部には引き回し導体膜２１、３５、３６が形成されており、駆動電極３２、３４、４１、４３と駆動入力電極７２とを接続するために、ワイヤーボンディング７２ａ及び結合基部２、駆動振動枝３、４の先端または基部に引き回し導体膜２２、４５、４６が形成されている。
【００３８】また、検出振動部１Ｂの一方主面の検出電極５２は、保持枝７の引き回し導体２３ａを介して検出出力電極７３に接続しており、他方主面の検出電極６４は、保持枝７の引き回し導体２３ｂを介して検出出力電極７６に接続している。
【００３９】さらに、検出振動部１Ｂの検出振動枝５、６の検出電極５１〜５４、６１〜６４は、結合基部２、振動枝５、６の先端または基部の引き回し導体膜２４〜２９によって接続されている。例えば、検出出力電極７３に接続する検出電極は５２は、引き回し導体２５、２７、２９を介して、検出電極５３、６２、６３に接続し、検出出力電極７６に接続する検出電極は６４は、引き回し導体２４、２６、２８を介して、検出電極５１、５４、６１に接続している。
【００４０】これにより、駆動振動部１Ａの駆動電極３１〜３４、４１〜４４及び駆動入力電極７１、７２は図３に示すような接続状態となり、検出振動部１Ｂの検出電極５１〜５４、６１〜６４、検出入力電極７３、７５、７４、７６は、図４に示すような接続状態となる。
【００４１】上述の構造の圧電振動体１において、駆動入力電極７１、７２間に駆動交流電圧を与えることにより、駆動振動部１Ａに、図３中実線矢印のように、また次の瞬間、図中点線矢印のように音叉振動モードが発生する。尚、この音叉振動は、固有共振周波数の異なる検出振動部１Ｂには伝わらない。
【００４２】この状態で、圧電振動体１全体に、回転角速度が加わると、コリオリ力が作用して、例えば図４に示す検出振動部１Ｂには、図中実線矢印のように、また次の瞬間、図中点線矢印のようにバタ足振動が発生する。
【００４３】また、上述したように、検出振動部１Ｂの振動枝５、６の各主面に互いに対向するように並設された検出電極５１と５２の間、５３と５４の間、６１と６２との間、６３と６４の間に、バタ足振動と圧電基板の分極方向（配向）との関係により所定の電界が発生し、電位差が発生する。
【００４４】そして、この電位は、保持枝に形成された検出出力電極７３（７５、７７）、７４（７６、７８）から抽出（検出信号）されることになる。
【００４５】そして、検出電極７３、７４から得られる検出信号は、増幅器（オペアンプ）などを含む外部回路で処理される。
【００４６】このような構造の圧電振動体１は図５に示すように、圧電振動体１を収納するケースの一部、例えば基台１０に形成した導電性スペーサー部材１１上に載置される。導電性スペーサ部材１１は、図６に示すようにワイヤボンディング７２ａを回避する溝部８０が一方側面に形成されており、圧電振動体１を載置する面には、夫々入力電極パッド８１、８２、出力電極パッド８３、８４が形成されている。即ち、駆動入力電極７９は入力電極パッド８１に当接し、駆動入力電極７２は、溝部８０の周囲に周設する入力電極パッド８２に当接し、検出出力電極７５は出力電極パッド８３に当接し、検出出力電極７６は出力電極パッド８４に当接し、夫々導電性ペーストを介して電気的に導通している。
【００４７】また、導電性スペーサ部材１１の各側面には各電極パッド８１〜８４から基台１０の表面の所定配線パターン１２・・に接続するための導体パターンが形成されている。尚、図６では、入力電極パッド８２から延びる導体パターン９２、出力電極パッド８３から延びる導体パターン８３のみが図示されている。
【００４８】尚、上述の実施例で、検出振動枝５、６の間隔が駆動振動枝３、４の間隔よりも広くなっており、検出振動枝５、６が駆動振動枝３、４の外側に配置されないる。これは、駆動振動枝３、４で駆動する音叉振動が、検出振動枝５、６に伝搬しないように、不要なスプリアス振動などを構造的に防止するためである。
【００４９】また、保持枝７が検出振動部１Ｂの検出振動枝５、６の所定振動、例えばバタ足振動の節にあたる位置に跨がるように配置され、矩形状結合基部２の両端部を検出振動枝５、６の外側に突出させて、この突出量によって、保持枝７に圧電振動体１の重心を移動調整させることにより、線型加速度が発生しても、Ｑ値及び出力感度が向上する。
【００５０】
【発明の効果】本発明は、圧電振動体を保持固定する保持枝を、検出振動側の検出振動枝の所定振動の節部分に跨がるように配置し、この保持枝部分に圧電振動体の重心が位置するように矩形状結合基部の両端部を、検出振動枝の外方に突出させたため、回転運動の検出感度を向上させることができる。
【００５１】また、矩形状結合基部の両側の検出振動枝と駆動枝の配置と、検出振動枝のさらに外側に伸びた結合基部の長さの調整により、駆動振動枝の音叉振動による検出振動枝の不要な振動を抑制することができるため、振動によって発生する他のスプリアス振動が有効に抑制でき、出力感度を向上させることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６６３３
【氏名又は名称】京セラ株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）９月３０日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１０８６６５ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）４月２３日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２６６３７８ |
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