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【発明の名称】 圧電振動角速度センサー及びその振動子の製造方法
【発明者】 【氏名】頼住 美根生

【氏名】川村 俊行
【要約】 【課題】構造及び製造工程を簡単にし、製造コストを下げ、加工精度を高くして特性の安定した圧電振動角速度センサー及びその振動子の製造方法を提供すること。

【解決手段】圧電振動角速度センサーの振動子３０は四角柱状の圧電体３５でなり、その第１の側面３３には、第１分割電極３３ａと第２分割電極３３ｂが形成され、第２の側面３４には、第３分割電極３４ａと第４分割電極３４ｂが形成されており、この圧電体３５は振動の節点で支持され、励振駆動用電極（第１分割電極）３３ａに交流電圧を印加して、軸方向に関しての両端を自由端として共振振動させ、回転角速度が加わるとコリオリ力の発生で生じる電圧差を２つの検出用電極（第１分割電極３３ａと第２分割電極３３ｂ）から検出する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 共振振動している振動子に回転角速度が加わると発生するコリオリ力を検出することにより前記角速度を検出する圧電振動角速度センサーにおいて、前記振動子は、分極処理が施され、四角柱状の圧電体であり、その側面には、平行に対向した側面に形成された電極の対が、少なくとも２対以上形成されており、前記圧電体は振動の節点で支持され、前記電極のうちの励振駆動用電極に交流電圧を印加して、軸方向に関しての両端を自由端として共振振動させ、前記回転角速度が加わると前記コリオリ力の発生で生じる電圧差を前記電極のうちの２つの検出用電極から検出するようにしたことを特徴とする圧電振動角速度センサー。
【請求項２】 前記四角柱の第１の側面には、軸方向に沿って２分割された、第１分割電極と第２分割電極とが形成されており、これと対称に、前記第１の側面と対向する第２の側面にも軸方向に沿って２分割された、第３分割電極と第４分割電極が形成され、前記第３及び前記第４分割電極から前記第１及び前記第２分割電極の方向に分極され、前記第１分割電極を前記励振駆動用兼前記検出用電極、前記第２分割電極を前記検出用電極として、前記コリオリ力の発生で生じる電圧差を前記第１分割電極と前記第２分割電極とから検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角速度センサー。
【請求項３】 前記四角柱の第１の側面には、軸方向に沿って２分割された第１分割電極と第２分割電極とが形成されており、前記第１の側面と対向する第２の側面には第３の電極が形成され、前記第１及び第２の側面と垂直な第３の側面及びこの第３の側面と対向する第４の側面には、それぞれ第４、第５の電極が形成されており、前記第１分割電極と前記第２分割電極とからそれぞれ前記第４の電極と前記第５の電極の方向に分極され、前記第１分割電極と前記第２分割電極を前記励振駆動用兼前記検出用電極として、前記コリオリ力の発生で生じる電圧差を前記第１分割電極と前記第２分割電極とから検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角速度センサー。
【請求項４】 前記四角柱の第１の側面には第１の電極が形成され、前記第１の側面と対向する第２の側面には第２の電極が形成され、前記第１及び第２の側面と垂直な第３の側面及びこの第３の側面と対向する第４の側面には、それぞれ第３、第４の電極が形成されており、前記第１の電極と前記第２の電極とからそれぞれ前記第３の電極又は前記第４の電極の方向に分極され、前記第１の電極と前記第２の電極を前記励振駆動用兼前記検出用電極として、前記コリオリ力の発生で生じる電圧差を前記第１の電極と前記第２の電極とから検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角速度センサー。
【請求項５】 前記四角柱の第１の側面には、軸方向に沿って２分割された、第１分割電極と第２分割電極とが形成されており、これと対称に、前記第１の側面と対向する第２の側面にも、軸方向に沿って２分割された第３分割電極と第４分割電極とが形成されており、前記第１及び第２の側面と垂直で前記第１分割電極及び前記第３分割電極側の第３の側面には第５の電極が形成され、この第３の側面と対向する第４の側面には、第６の電極が形成されており、前記第１分割電極から前記第５の電極の方向と、前記第２分割電極から前記第６の電極の方向と、前記第３分割電極から前記第５の電極の方向と、前記第４分割電極から前記第６の電極の方向に分極され、前記第１分割電極と前記第２分割電極を前記励振駆動用電極として、前記第３分割電極と前記第４分割電極を前記検出用電極として、前記コリオリ力の発生で生じる電圧差を前記第３分割電極と前記第４分割電極とから検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角速度センサー。
【請求項６】 前記四角柱の第１の側面には、軸方向に沿って２分割された、第１分割電極と第２分割電極とが形成されており、前記第１の側面と対向する第２の側面には第３の電極が形成され、前記第１及び第２の側面と垂直な第３の側面及びこの第３の側面と対向する第４の側面には、それぞれ第４、第５の電極が形成されており、前記第１及び前記第２分割電極から前記第３の電極の方向に分極され、前記第１分割電極と前記第２分割電極を前記自励振駆動用兼前記検出用電極として、前記コリオリ力の発生で生じる電圧差を前記第１分割電極と前記第２分割電極とから検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角速度センサー。
【請求項７】 前記四角柱の第１の側面には、軸方向に沿って２分割された、第１分割電極と第２分割電極とが形成されており、これと対称に、前記第１の側面と対向する第２の側面にも、軸方向に沿って２分割された、第３分割電極と第４分割電極とが形成され、前記第１及び第２の側面と垂直で前記第１分割電極及び前記第３分割電極側の第３の側面には第５の電極が形成され、この第３の側面と対向する第４の側面には、第６の電極が形成されており、前記第１及び前記第２分割電極から前記第３及び前記第４分割電極の方向に分極され、前記第１分割電極と前記第２分割電極を前記励振駆動用兼検出用電極として、前記第３分割電極と前記第４分割電極を前記検出用電極として、前記コリオリ力の発生で生じる電圧差を前記第３分割電極と前記第４分割電極とから検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角速度センサー。
【請求項８】 前記四角柱の第１の側面には第１の電極が形成され、前記第１の側面と対向する第２の側面には第２の電極が形成され、前記第１及び第２の側面と垂直な第３の側面及びこの第３の側面と対向する第４の側面には、それぞれ第３、第４の電極が形成されており、前記第１の電極から前記第２の電極の方向に分極され、前記第３の電極と前記第４の電極を前記励振駆動用兼前記検出用電極として、前記コリオリ力の発生で生じる電圧差を前記第３の電極と前記第４の電極とから検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角速度センサー。
【請求項９】 共振振動している振動子に回転角速度が加わると発生するコリオリ力を検出することにより前記角速度を検出する圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法において、平板状の圧電体の厚さ方向の両面全面に、メッキ又は印刷により電極を形成し、前記厚さ方向に分極処理し、この平板を多数の四角柱片に切断することにより、電極形成面を有する四角柱形状の圧電体でなる振動子を得るようにしたことを特徴とする圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【請求項１０】 前記四角柱片の前記電極が形成された両面又はどちらか一方の面に軸方向に延びる溝を形成し前記電極を２分割したことを特徴とする請求項９に記載の圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【請求項１１】 前記四角柱片への切断と前記溝の形成を、同一の砥石を用いて連続的に行うようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【請求項１２】 前記平板から切断された四角柱片の前記電極が形成された両面と垂直な２つの面にもメッキ又は印刷により電極を形成したことを特徴とする請求項９乃至請求項１１の何れかに記載の圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【請求項１３】 共振振動している振動子に回転角速度が加わると発生するコリオリ力を検出することにより前記角速度を検出する圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法において、平板状の圧電体の厚さ方向の両面全面にそれぞれ、メッキ又は印刷により第１の電極と第２の電極を形成し、この平板を多数の四角柱片に切断し、この四角柱片の前記第１及び第２の電極が形成された両面と垂直な２つの面それぞれにメッキ又は印刷により第３の電極と第４の電極を形成した後、分極処理を行い、各側面に電極が形成された四角柱形状の圧電体でなる振動子を得るようにしたことを特徴とする圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【請求項１４】 前記分極の方向は、前記第１及び前記第２の電極から、前記第３の電極又は前記第４の電極への方向であることを特徴とする請求項１３に記載の圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【請求項１５】 前記四角柱片の前記第１の電極が形成された面に、軸方向に延びる溝を形成し前記第１の電極を、前記第３の電極側の第１分割電極と、前記第４の電極側の第２分割電極とに２分割して、前記第１分割電極から前記第３の電極の方向に分極させ、前記第２分割電極から前記第４の電極の方向に分極させたことを特徴とする請求項１３に記載の圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【請求項１６】 前記四角柱片の前記第１の電極が形成された面に軸方向に延びる溝を形成し、前記第１の電極を、前記第３の電極側の第１分割電極と、前記第４の電極側の第２分割電極とに２分割し、これと対称に、前記第２の電極が形成された面にも軸方向に延びる溝を形成し、前記第２の電極を、前記第３の電極側の第３分割電極と、前記第４の電極側の第４分割電極とに２分割し、前記第１分割電極から前記第３の電極の方向に分極させ、前記第２分割電極から前記第４の電極の方向に分極させ、前記第３分割電極から前記第３の電極の方向に分極させ、前記第４分割電極から前記第４の電極の方向に分極させたことを特徴とする請求項１３に記載の圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【請求項１７】 前記四角柱片への切断と前記溝の形成を、同一の砥石を用いて連続的に行うようにしたことを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばカメラ一体型ビデオテープレコーダに搭載され、手振れを検出する圧電振動角速度センサー及びその振動子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、角速度センサーは、航空機のように慣性座標系の角速度を検出し進行方向を割り出す用途に用いられてきたが、最近では、自動車のナビゲーションの補助機能として、また、カメラ一体型ビデオテープレコーダの手振れ防止機能にも応用され、その需要は急速に拡大している。
【０００３】第１従来例としての圧電振動角速度センサーの振動子１を図３２に示す。振動子１は、三角柱状のニッケル合金２の各側面に、両面に電極が形成された圧電体４ａ、４ｂ、４ｃが接着されてなる。図には、圧電体４ａしか見えないが、圧電体４ｂはニッケル合金２の底面に、圧電体４ｃは残りのもう一面に取り付けられている。振動子１は、例えばカメラ一体型ビデオテープレコーダの筐体内に固定された２つの支持部材３、３に、側辺２ａの２点（符号５で示される）で溶接され、吊り下げられるようにして支持されている。
【０００４】以上のように構成される振動子１は、後述で詳しく説明するが図３３に示される回路に接続され、ｙ方向に支持点５、５を節として共振振動させる。このとき、カメラ一体型ビデオテープレコーダの手振れに起因する回転力２４が振動子の中心Ｃのまわりに生じると、共振しているｙ方向と直角なｘ方向にコリオリ力が生じる。コリオリ力は、振動子１の質量をｍ、ｙ方向の振動の速度ベクトルをｖ、回転力２４の角速度ベクトルをωとすると、２ｍ［ｖ×ω］で表される。このコリオリ力を検出することにより回転力２４を検出して、カメラ一体型ビデオテープレコーダの光学系を含む撮像ユニットを水平及び垂直方向に駆動するアクチュエータを制御して、画振れの少ない撮像画像を得るようにしている。
【０００５】次に、図３３を参照して、振動子１が接続される回路について説明する。
【０００６】図３３は従来実施されていた図３２に示す三角柱状ニッケル合金振動子を用いた角速度センサーの処理回路である。この処理回路は、三角柱状振動子２の下面圧電素子４ｂの電極面に入力端が接続された増幅器１８と、この増幅器１８の出力端に接続された移相器１９と、三角柱状振動子２の駆動・検出兼用圧電素子４ａ，４ｃとこれらの電極面４ａ，４ｃに接続された差動増幅器２０と、この差動増幅器２０の出力端に接続された同期検波器２２と、この同期検波器２２の出力端に接続されたローパスフィルター２３とから成り、移相器１９の出力端は分割抵抗Ｒ及び同期検波器２２に接続されている。
【０００７】以上のように構成された圧電振動角速度センサーの作動原理を説明する。増幅器１８への直流電源の投入によりこの増幅器１８を作動状態にし、移相器１９を通して駆動・検出兼用圧電素子４ａ，４ｃに略２５ｋＨｚの駆動電圧を印加すると、振動子１は図３２に示す支持点５を節とし、振動子１の両端を自由端としてｙ方向に自身の安定した機械的共振周波数で自励振動する。移相器１９は増幅器１８の出力を位相調整しているが、この位相調整で振動子１は自励振動することができる。今、振動子１に回転２４が加わっていない場合、圧電素子４ａ，４ｃの歪みは全く同じように起こるので両圧電素子４ａ，４ｃからの出力は振幅、位相ともに同一であり、従って差動増幅器２０の出力は０である。
【０００８】振動子２が以上のようにｙ方向に機械的振動をしている状態で回転２４が加わった場合、回転中心軸Ｃとｙ軸に直角（ｘ方向）にコリオリ力が発生し、励振によるｙ方向の力とコリオリ力によるｘ方向の力の合成力が振動子２を歪ませる。この歪みはｘ方向に生じるので圧電素子４ａ，４ｃの電極面には互いに逆符号の電圧、すなわち逆位相の電圧が生じる。以下、このコリオリ力による生じる信号をコリオリ信号と呼ぶことにする。
【０００９】前記合成力により圧電素子４ａ，４ｃからはそれぞれの励振信号とコリオリ信号とが重畳された形の交流信号として検出される。この検出信号はそれぞれ差動増幅器２０に反転入力と非反転入力されて、差動後の出力には同位相である励振信号が互いに打ち消され、逆位相のコリオリ信号だけが検出される。検出されたコリオリ信号は同期検波器２２に入力され、移相器１９の出力で同期検波される。同期検波により得られた信号は励振信号の高周波成分が混じっているのでローパスフィルター２３で高周波成分を除去し、回転角速度ωに比例した振幅を有する信号が得られる。
【００１０】次に、図３４に、第２の従来例としての圧電振動角速度センサーの振動子６を、図３５に振動子６が接続された回路図を示す。この振動子６は、円柱状の圧電セラミックス７に、その周面に６個の電極９、１０、１１、１２、１３、１４が、例えばスクリーン印刷により形成されている。なお、図３５では電極９は、回路の接続関係をわかりやすくするために軸方向に延びているように図示したが、実際は図３４に示されるように、円柱状の圧電セラミックス７の周方向に沿って形成されている。電極１１、１２、１４はつながっており、電気接続線１５を介して接地されている。電極９、１０、１３はそれぞれ電気的に独立しており、それぞれ電気接続線１７、２５、１６を介して、後述する回路の各構成要素と接続している。
【００１１】この振動子６は、ゴムでなる２つの支持部材８、８によって支持されており、この支持点を節として、上記第１従来例と同様に、ｙ方向に共振振動され、このとき、回転力２４が振動子の中心Ｃのまわりに生じると、共振しているｙ方向と直角なｘ方向にコリオリ力が生じる。そして、このコリオリ力を検出することにより回転力２４を検出する。
【００１２】図３５は従来実施されていた図３４に示す円柱状圧電振動子７を用いた角速度センサー６の処理回路である。この処理回路は、円柱状圧電振動子７の駆動用電極９に出力端が接続された増幅器１８と、円柱状圧電振動子７の検出用電極１０，１３に接続された差動増幅器２０および加算器２１と、差動増幅器２０の出力端に接続された同期検波器２２と、この同期検波器２２の出力端に接続されたローパスフィルター２３と、加算器２１の出力端と増幅器１８の入力端との間に接続された移相器１９とから成り、また電極１１，１２，１４はアースされている。なお、図３５において、図３３に示した回路における構成要素と対応するものについては同じ符号を付するものとする。
【００１３】以上のように構成された圧電振動角速度センサーの作動原理を説明する。増幅器１８への直流電源の投入によりこの増幅器１８は作動状態になり、電極１０，１３の出力は加算器２１で加算され、移相器１９で位相を調整して増幅器１８に加えられる。この増幅出力が電極９に入力されて振動子７は図３４に示す支持点部材８の位置を節とし、振動子７の両端を自由端としてｙ方向に略２５ｋＨｚでに自励振動する。振動子６に回転２４が加わらない場合、図３３の場合と同様に検出用電極１０、１３には振幅、位相ともに同一の信号が得られて差動増幅器２０の出力は０である。
【００１４】振動子６がｙ方向に励振している状態で回転２４が加わった場合、図３３の場合と同様に、コリオリ力がｘ方向に働き振動子７が歪むので検出用電極１０、１３には互いに逆位相のコリオリ信号が発生する。そして検出用電極１０、１３からの励振信号とコリオリ信号が重畳された信号が差動増幅器２０と加算器２１に入力される。加算器２１では互いに逆位相のコリオリ信号は打ち消され、同位相の励振信号だけが出力されて移相器１９に加えられる。移相器１９は位相を調整し、その出力は増幅器１８に加えられて電極９に加えられる。また一方で差動増幅器２０のコリオリ信号出力は同期検波器２２に入力され、加算器２１の出力で同期検波される。同期検波によって得られた信号はローパスフィルター２３により回転角速度ωに比例した信号を得る。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】上記第１従来例の三角柱状の振動子１は、現在最も検出感度が高く主流となっている。しかし、三角柱のニッケル合金２への圧電体４ａ、４ｂ、４ｃの接着や支持点５、５での溶接など、その構造や製造工程が複雑なため量産効果を上げることが難しい。これは、更に小型化するに従ってその傾向が顕著に現れる。
【００１６】また、第２従来例の円柱状の圧電体７そのものを振動子としたものは、圧電体の接着に伴う問題はない。しかし、円柱形状への加工精度の確保が困難であること、また、電極を一本一本曲面に印刷するために、やはり量産効果は期待できない構造となっている。更に、小型化するに従って、円柱加工の精度や曲面への電極の印刷精度の確保が困難になる。
【００１７】以上のように、従来は、構造が複雑で組立精度の管理が難しく、よって共振周波数の調整も難しく、角速度検出特性にバラツキが出る等の問題があった。特に、小型化すると更に厳しい精度を要求され、より低コスト化、より小型化することが困難であった。
【００１８】本発明は上述の問題に鑑みてなされ、構造及び製造工程を簡単にし、製造コストを下げ、加工精度を高くして特性の安定した圧電振動角速度センサー及びその振動子の製造方法を提供することを課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するにあたり、本発明では、圧電振動角速度センサーの振動子は四角柱状の圧電体であり、その側面には、平行に対向した側面に形成された電極の対が少なくとも２対以上形成されており、この圧電体は振動の節点で支持され、励振駆動用電極に交流電圧を印加して、軸方向に関しての両端を自由端として共振振動させ、回転角速度が加わるとコリオリ力の発生で生じる電圧差を２つの検出用電極から検出するようにしている。
【００２０】又は、平板状の圧電体の厚さ方向の両面全面に、メッキ又は印刷により電極を形成し、この厚さ方向に分極処理し、この平板を多数の四角柱片に切断することにより、電極形成面を有する四角柱形状の圧電体でなる圧電振動角速度センサーの振動子を得るようにしている。
【００２１】又は、平板状の圧電体の厚さ方向の両面全面にそれぞれ、メッキ又は印刷により第１の電極と第２の電極を形成し、この平板を多数の四角柱片に切断し、この四角柱片の第１及び第２の電極が形成された両面と垂直な２つの面それぞれにメッキ又は印刷により第３の電極と第４の電極を形成した後、分極処理を行い、各側面に電極が形成された四角柱形状の圧電体でなる圧電振動角速度センサーの振動子を得るようにしている。
【００２２】
【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て説明する。
【００２３】図１は、本発明の第１の実施の形態による、圧電振動角速度センサーの振動子３０である。振動子３０は、四角柱形状の圧電体３５の上下面に、電極がメッキにより形成されてなる。図２に、振動子３０の拡大断面図を示すが、第１の側面としての上面３３には、軸方向に沿って延びる溝３１により２分割された、第１分割電極３３ａと第２分割電極３３ｂがメッキにより形成されている。第２の側面としての下面３４には、溝３１と対称な位置に軸方向に沿って延びる溝３２が形成され、第３分割電極３４ａと第４分割電極３４ｂがメッキにより形成されている。矢印Ｐは分極の方向を示す。
【００２４】次に、この振動子３０の製造方法について、図３を参照して説明する。図３Ａに示すものは、例えばＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ3 ）系の圧電セラミックスでなる厚さ１ｍｍの薄板３６である。この上下両面それぞれの全面に、下地にニッケルメッキを、この上に金をメッキする。そして、この後この上下のメッキ形成面に直流の高電圧を印加して、板３６を厚さ方向に分極させる。次に、図３Ｂに示すように、薄板３６をカッティングライン３７に沿って切断し、幅１ｍｍ、長さ１２ｍｍの多数の四角柱片３５を切り出し、振動子３０を得る。このとき、カッティングライン３９に沿って、上下両面に、図１及び図２の振動子３０の電極分割溝３１、３２となる溝を、四角柱片への切出しと同じ砥石を用いた砥石加工により、切出しと連続して行う。切り出される四角柱片３５の寸法は、この四角柱片３５を振動子として共振させるときの共振周波数の設定に合わせて決められる。
【００２５】次に、図４を参照して振動子の支持について説明する。切り出された振動子３０は、図４Ａに示されるように、４個の支持フレーム４０の８カ所の支持部４０ａと、メッキ形成面（第１〜第４分割電極）とが半田付けにより接合される。支持フレーム４０の材質は、例えばリン青銅、ステンレス等であり、厚さは１００μｍ程度である。そして、図４Ｂに示されるように、上下に対向する支持フレーム４０間に支持ブロック４１を挟ませて固定させる。支持ブロック４１は、非磁性のブロック体で、ある程度の剛性のある材料が用いられている。例えば、セラミックス（ＣａＴｉＯ3 ）や樹脂系材料など。支持ブロック４１は、カメラ一体型ＶＴＲの筐体に固定されており、振動子３０は宙吊りの状態で、支持フレーム４０の支持部４０と固定されており支持される。振動子３０は図５に示す回路と接続されるが、支持フレーム４０の支持部４０を電極として回路と接続される。また、支持部４０は、この回路により共振させられる振動子３０の振動の節点（ノード点）となり、振動子３０は軸方向の両端を自由端として共振させられる。
【００２６】次に、図５を参照して、振動子３０の接続される回路について説明する。
【００２７】図５は図１に示す圧電振動子３０を用いた角速度センサーの処理回路である。この処理回路は、圧電振動子３０の駆動・検出兼用電極３３ａに接続された移相器１９と、この移相器１９の出力端に接続された増幅器１８と、駆動・検出兼用電極３３ａの出力端は減算器２５を介して、検出用電極３３ｂの出力端はそのまま接続された差動増幅器２０と、この差動増幅器２０の出力端に接続された同期検波器２２と、この同期検波器２２の出力端に接続されたローパスフィルター２３とから成り、増幅器１８の出力は移相器１９を介して駆動・検出兼用電極３３ａに加えられ、振動子の電極３４ａはアースされている。
【００２８】以上のように構成された圧電振動角速度センサーの作動原理を説明する。増幅器１８への直流電源の投入によりこの増幅器１８は作動状態になり、増幅出力が移相器１９を通して駆動・検出兼用電極３３ａに入力され、振動子３０を図４Ａに示す支持部４０ａを節とし、振動子３０の両端を自由端としてｙ方向に自身の略２５ｋＨｚの機械的共振周波数で自励振動させる。電極３３ａには印加電圧分と励振により生じる電圧分が足されて出力される。従って振動子３０に回転２４が加わっていない場合は差動増幅器２０の出力に電圧差が出ないようにするために、減算器２５は電極３３ａへの印加電圧分を差し引いている。振動子３０の右側下面電極３４ｂは回路構成上は必要ないが電極３３ｂに対して振動バランスを確保するためである。
【００２９】振動子３０に回転力２４が加わると振動子３０はｘ方向にコリオリ力が働き、励振によるｙ方向の力との合成力が振動子３０を歪ませ、電極３３ａ，３３ｂには互いに逆位相のコリオリ信号電圧が生じる。これを差動増幅器２０に入力して励振信号を打ち消し、コリオリ信号を検出する。検出されたコリオリ信号は同期検波器２２で同期検波され、ローパスフィルター２３により回転角速度ωに比例した信号を出力する。
【００３０】次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。上記第１の実施の形態と同じ部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３１】図６は、本第２の実施の形態による、圧電振動角速度センサーの振動子６０である。振動子６０は、四角柱形状の圧電体６６の各面に、電極がメッキ又は印刷により形成されてなる。図７に、振動子６０の拡大断面図を示すが、第１の側面としての上面６１には、軸方向に沿って延びる溝６５により２分割された、第１分割電極６１ａと第２分割電極６１ｂがメッキにより形成されている。第２の側面としての下面６２には第３の電極６２ａがメッキにより形成されている。第３の側面６３には、例えばスクリーン印刷により第４の電極６３ａが形成されている。同様に、第４の側面６４にも印刷により第５の電極６４ａが形成されている。矢印Ｐは分極の方向を示す。
【００３２】次に、この振動子６０の製造方法について、図８を参照して説明する。第１実施例と同様に、先ず、圧電セラミックスでなる厚さ１ｍｍの薄板３６の上下両面それぞれの全面に、下地にニッケルメッキを、この上に金をメッキする。次に、図８Ｂに示すように、薄板３６をカッティングライン３７に沿って切断し、幅１ｍｍ、長さ１２ｍｍの多数の四角柱片６６を切り出し、振動子６０を得る。このとき、カッティングライン３９に沿って、上面に、振動子６０の電極分割溝６５となる溝を、四角柱片への切出しと同じ砥石を用いた砥石加工により、切出しと連続して行う。切り出される四角柱片６６の寸法は、この四角柱片６６を振動子として共振させるときの共振周波数の設定に合わせて決められる。切り出された後、四角柱片６６の両側面に、図７で示されるように、印刷により第４の電極６３ａと第５の電極６４ａを形成して、第１分割電極６１ａと第４の電極６３ａとの間及び第２分割電極６１ｂと第５の電極６４ａとの間に直流の高電圧を印加して、矢印Ｐの方向に分極させる。
【００３３】次に、図９を参照して振動子の支持について説明する。第１実施の形態と同様、切り出された振動子６０は、図９Ａに示されるように、４個の支持フレーム４０の８カ所の支持部４０ａと、メッキ形成面（第１、第２分割電極６１ａ、６１ｂと第３の電極６２ａ）とが半田付けにより接合される。そして、図９Ｂに示されるように、上下に対向する支持フレーム４０間に支持ブロック４１を挟ませて固定させる。支持ブロック４１は、カメラ一体型ＶＴＲの筐体に固定されており、振動子６０は宙吊りの状態で、支持フレーム４０の支持部４０と固定され支持される。振動子６０の組立後、振動子６０の縦横方向の振動の共振周波数を調整し、縦方向の共振周波数を横方向の共振周波数に対して約６０Ｈｚ高めにシフトさせて設定した。振動子６０は図１０に示す回路と接続されるが、支持フレーム４０の支持部４０を電極として回路と接続される。側面に形成された第４の電極６３ａと第５の電極６４ａは、リード線で回路と接続される。また、支持部４０は、この回路により共振させられる振動子６０の振動の節点（ノード点）となり、振動子６０は軸方向の両端を自由端として共振させられる。
【００３４】次に、図１０を参照して、振動子６０の接続される回路について説明する。
【００３５】図１０は図６に示す圧電振動子６０を用いた角速度センサーの処理回路である。なお、図１０において、図５に示した回路における構成要素と対応するものについては同じ符号を付するものとする。
【００３６】図１０の処理回路は、圧電振動子６０の駆動・検出兼用電極６１ａ，６１ｂに接続された加算器２１と、この加算器２１の出力端に接続された増幅器１８と、この増幅器１８の出力端に接続された移相器１９と、駆動・検出兼用電極６１ａ，６１ｂに接続された差動増幅器２０と、この差動増幅器２０の出力端に接続された同期検波器２２と、この同期検波器２２の出力端に接続されたローパスフィルター２３とから成り、加算器２１の出力は同期検波器２２に入力され、振動子６０の両側面電極６３ａ，６４ａはアースされている。なお、下面電極６２ａは振動子６０の振動バランスを確保するためのものである。
【００３７】以上のように構成された圧電振動角速度センサーの作動原理を説明する。図５の場合と同様に、増幅器１８への直流電源の投入によりこの増幅器１８は作動状態に入り、増幅出力が移相器１９を通して駆動・検出兼用電極６１ａ，６１ｂに入力され、振動子６０をｙ方向に自身の略２５ｋＨｚの機械的共振周波数で自励振動させる。振動子６０に回転２４が加わらないうちは差動増幅器２０の出力は０である。回転２４が加わった場合、コリオリ力による電極６１ａ，６１ｂからの信号が差動増幅器２０で検出され、一方、加算器２１では互いに逆位相のコリオリ信号は打ち消されて同位相の励振信号だけが出力される。差動増幅器２０の出力は同期検波器２２により加算器２１の出力で同期検波され、ローパスフィルター２３により回転角速度ωに比例した信号が得られる。
【００３８】次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。上記実施の形態と同じ部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３９】図１１は、本第３の実施の形態による、圧電振動角速度センサーの振動子７０である。振動子７０は、四角柱形状の圧電体７５の各面に、電極がメッキ又は印刷により形成されてなる。図１２に、振動子７０の拡大断面図を示すが、第１の側面としての上面７１には、第１の電極７１ａがメッキにより形成されている。第２の側面としての下面７２には第２の電極７２ａがメッキにより形成されている。第３の側面７３には、例えばスクリーン印刷により第３の電極７３ａが形成されている。同様に、第４の側面７４にも印刷により第４の電極７４ａが形成されている。矢印Ｐは分極の方向を示す。
【００４０】次に、この振動子７０の製造方法について、図１３を参照して説明する。上記実施の形態と同様に、先ず、圧電セラミックスでなる厚さ１ｍｍの薄板３６の上下両面それぞれの全面に、下地にニッケルメッキを、この上に金をメッキする。次に、薄板３６をカッティングライン３７に沿って切断し、幅１ｍｍ、長さ１２ｍｍの多数の四角柱片７５を切り出し、振動子７０を得る。切り出される四角柱片７５の寸法は、この四角柱片７５を振動子として共振させるときの共振周波数の設定に合わせて決められる。切り出された後、四角柱片７５の両側面に、図１２で示されるように、印刷により第３の電極７３ａと第４の電極７４ａを形成して、第１の電極７１ａと第３の電極７３ａとの間及び第２の電極７２ａと第３の電極７３ａとの間に直流の高電圧を印加して、矢印Ｐの方向に分極させる。
【００４１】次に、図１４を参照して振動子の支持について説明する。上記実施の形態と同様、切り出された振動子６０は、図１４Ａに示されるように、４個の支持フレーム４０の８カ所の支持部４０ａと、メッキ形成面（第１、第２の電極７１ａ、７１ｂ）とが半田付けにより接合される。そして、図１４Ｂに示されるように、上下に対向する支持フレーム４０間に支持ブロック４１を挟ませて固定させる。支持ブロック４１は、カメラ一体型ＶＴＲの筐体に固定されており、振動子７０は宙吊りの状態で、支持フレーム４０の支持部４０と固定され支持される。振動子７０の組立後、振動子７０の縦横方向の振動の共振周波数を調整し、縦方向の共振周波数を横方向の共振周波数に対して約６０Ｈｚ高めにシフトさせて設定した。振動子７０は図１５に示す回路と接続されるが、支持フレーム４０の支持部４０を電極として回路と接続される。側面に形成された第３の電極７３ａと第４の電極７４ａは、リード線で回路と接続される。また、支持部４０は、この回路により共振させられる振動子７０の振動の節点（ノード点）となり、振動子７０は軸方向の両端を自由端として共振させられる。
【００４２】次に、図１５を参照して、振動子７０の接続される回路について説明する。
【００４３】図１５は図１１に示す圧電振動子７０を用いた角速度センサーの処理回路である。この回路は、駆動・検出兼用電極７１ａ，７２ａが圧電振動子７０の上下全面に設けたこと、側面電極７４ａはアースしないことを除けば図１０と同じであるので、回路構成の説明を省略する。なお、図１５において、図１０に示した回路における構成要素と対応するものについては同じ符号を付するものとする。
【００４４】図１５の作動原理は、振動子７０をｘ方向に自励振動させ、コリオリ力によるｙ方向の振動で生じる電極７１ａ，７２ａの電圧差を検出するが、その信号処理は図１０の場合と同様である。側面電極７４ａは回路構成上は必要ないが、側面電極４に対して振動バランスを確保するためである。
【００４５】次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。上記実施の形態と同じ部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４６】図１６は、本第４の実施の形態による、圧電振動角速度センサーの振動子８０である。振動子８０は、四角柱形状の圧電体８７の各面に、電極がメッキ又は印刷により形成されてなる。図１７に、振動子８０の拡大断面図を示すが、第１の側面としての上面８１には、軸方向に沿って延びる溝８５により２分割された、第１分割電極８１ａと第２分割電極８１ｂがメッキにより形成されている。第２の側面としての下面８２には、溝８５と対称な位置に形成された軸方向に沿って延びる溝８６により２分割された、第３分割電極８２ａと第４分割電極８２ｂがメッキにより形成されている。第３の側面８３には、例えばスクリーン印刷により第５の電極８３ａが形成されている。同様に、第４の側面８４にも印刷により第６の電極８４ａが形成されている。矢印Ｐは分極の方向を示す。
【００４７】次に、この振動子８０の製造方法について説明するが、図３に示される第１の実施の形態と同様な方法で、薄板３６から四角柱片８７を切り出し、振動子８０を得る。切り出された後、四角柱片８７の両側面に、図１７で示されるように、印刷により第５の電極８３ａと第６の電極８４ａを形成して、第１分割電極８１ａと第５の電極８３ａとの間、第２分割電極８１ｂと第６の電極８４ａとの間、第３分割電極８２ａと第５の電極８３ａとの間、第４分割電極８２ｂと第６の電極８４ａとの間に直流の高電圧を印加して、矢印Ｐの方向に分極させる。
【００４８】次に、図１８を参照して振動子の支持について説明するが、上記実施の形態と同様であるため、重複する記載は省略し簡単に説明する。切り出された振動子８０は、４個の支持フレーム４０の８カ所の支持部４０ａと半田付けにより接合される。そして、上下に対向する支持フレーム４０間に支持ブロック４１を挟ませて固定させ、振動子８０は宙吊りの状態で支持される。その他、回路との接続や共振の節点、共振周波数の調整についても上記実施の形態と同様なことが言える。
【００４９】次に、図１９を参照して、振動子８０の接続される回路について説明する。
【００５０】図１９は図１６に示す圧電振動子８０を用いた角速度センサーの処理回路である。なお、図１９において、図１０に示した回路における構成要素と対応するものについては同じ符号を付するものとする。
【００５１】図１９の処理回路は、圧電振動子８０の駆動用電極８１ａ，８１ｂに接続された加算器２１と、この加算器２１の出力端に接続された増幅器１８と、この増幅器１８の出力端に接続された移相器１９と、圧電振動子８０の検出用電極８２ａ，８２ｂに接続された差動増幅器２０と、この差動増幅器２０の出力端に接続された同期検波器２２と、この同期検波器２２の出力端に接続されたローパスフィルター２３とから成り、加算器２１の出力は同期検波器２２に入力され、振動子８０の両側面電極８３ａ，８４ａはアースされている。なお、図１９において、図１０に示した回路における構成要素と対応するものについては同じ符号を付するものとする。
【００５２】以上のように構成された圧電振動角速度センサーの作動原理は、駆動用電極８１ａ，８１ｂに２５ｋＨｚの駆動電圧を印加してｙ方向に自励振動させ、コリオリ力によるｘ方向の振動で生じる検出用電極８２ａ，８２ｂのコリオリ信号を差動増幅器２０で検出し、加算器２１の出力である励振信号で同期検波器２２により同期検波してローパスフィルター２３により回転角速度ωに比例した信号が得られる。
【００５３】図２０は、本第５の実施の形態による、圧電振動角速度センサーの振動子９０である。振動子９０は、四角柱形状の圧電体９６の各面に、電極がメッキ又は印刷により形成されてなる。図２１に、振動子９０の拡大断面図を示すが、第１の側面としての上面９１には、軸方向に沿って延びる溝９５により２分割された、第１分割電極９１ａと第２分割電極９１ｂがメッキにより形成されている。第２の側面としての下面９２には第３の電極９２ａがメッキにより形成されている。第３の側面９３には、例えばスクリーン印刷により第４の電極９３ａが形成されている。同様に、第４の側面９４にも印刷により第５の電極９４ａが形成されている。矢印Ｐは分極の方向を示す。
【００５４】次に、この振動子９０の製造方法について説明するが、図８に示される第２の実施の形態と同様な方法で、上下面にメッキされ、厚さ方向に分極処理された薄板３６から四角柱片９６を切り出し、振動子９０を得る。切り出された後、四角柱片９６の両側面に、図２１で示されるように、印刷により第４の電極９３ａと第５の電極９４ａを形成する。
【００５５】次に、図２２に振動子９０の支持を示すが、上記実施の形態と同様であるため簡単に説明すると、切り出された振動子９０は、４個の支持フレーム４０の８カ所の支持部４０ａと半田付けにより接合される。そして、上下に対向する支持フレーム４０間に支持ブロック４１を挟ませて固定させ、振動子９０は宙吊りの状態で支持される。その他、回路との接続や共振の節点、共振周波数の調整についても上記実施の形態と同様なことが言える。
【００５６】図２３は図２０に示す圧電振動子９０を用いた角速度センサーの処理回路であり、回路構成、作用は図１０と同じで、対応する構成要素には同じ符号を付してある。
【００５７】次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。上記実施の形態と同じ部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５８】図２４は、本第６の実施の形態による、圧電振動角速度センサーの振動子１００である。振動子１００は、四角柱形状の圧電体１０７の各面に、電極がメッキ又は印刷により形成されてなる。図２５に、振動子１００の拡大断面図を示すが、第１の側面としての上面１０１には、軸方向に沿って延びる溝１０５により２分割された、第１分割電極１０１ａと第２分割電極１０１ｂがメッキにより形成されている。第２の側面としての下面１０２には、溝１０５と対称な位置に形成された軸方向に沿って延びる溝１０６により２分割された、第３分割電極１０２ａと第４分割電極１０２ｂがメッキにより形成されている。第３の側面１０３には、例えばスクリーン印刷により第５の電極１０３ａが形成されている。同様に、第４の側面１０４にも印刷により第６の電極１０４ａが形成されている。矢印Ｐは分極の方向を示す。
【００５９】次に、この振動子１００の製造方法について説明するが、図３に示される第１の実施の形態と同様な方法で、上下面にメッキされ、厚さ方向に分極処理された薄板３６から四角柱片１０７を切り出し、振動子１００を得る。切り出された後、四角柱片１０７の両側面に、図２５で示されるように、印刷により第５の電極１０３ａと第６の電極１０４ａを形成する。
【００６０】次に、図２６に振動子１００の支持を示すが、上記実施の形態と同様であるため簡単に説明すると、切り出された振動子１００は、４個の支持フレーム４０の８カ所の支持部４０ａと半田付けにより接合される。そして、上下に対向する支持フレーム４０間に支持ブロック４１を挟ませて固定させ、振動子１００は宙吊りの状態で支持される。その他、回路との接続や共振の節点、共振周波数の調整についても上記実施の形態と同様なことが言える。
【００６１】次に、図２７を参照して、振動子１００の接続される回路について説明する。
【００６２】図２４に示す圧電振動子を用いた角速度センサーの回路を示す図２７は加算器２１の入力端と差動増幅器２０の入力端とを接続していることを除けば、図１９と同じである。すなわち図２７において、左側の上下電極２ａと３ａを接続し、右側の上下電極２ｂと３ｂを接続している。
【００６３】以上のように構成された圧電振動角速度センサーの作動原理は、駆動用電極１０１ａ，１０１ｂに２５ｋＨｚの駆動電圧を印加してｙ方向に自励振動させ、コリオリ力によるｘ方向の振動で生じる検出用電極１０２ａ，１０２ｂのコリオリ信号を差動増幅器２０で検出し、加算器２１の出力である励振信号で同期検波器２２により同期検波してローパスフィルター２３により回転角速度ωに比例した信号が得られる。
【００６４】次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。上記実施の形態と同じ部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６５】図２８は、本第７の実施の形態による、圧電振動角速度センサーの振動子１１０である。振動子１１０は、四角柱形状の圧電体１１５の各面に電極がメッキ又は印刷により形成されてなる。図２９に、振動子１１０の拡大断面図を示すが、第１の側面としての上面１１１には、第１の電極１１１ｂがメッキにより形成されている。第２の側面としての下面１１２には第２の電極１１２ａがメッキにより形成されている。第３の側面１１３には、例えばスクリーン印刷により第３の電極１１３ａが形成されている。同様に、第４の側面１１４にも印刷により第４の電極１１４ａが形成されている。矢印Ｐは分極の方向を示す。
【００６６】次に、この振動子１１０の製造方法について説明するが、図１３に示される第３の実施の形態と同様な方法で、上下面にメッキされ、厚さ方向に分極処理された薄板３６から四角柱片１１５を切り出し、振動子１１０を得る。切り出された後、四角柱片１１５の両側面に、図２９で示されるように、印刷により第３の電極１１３ａと第４の電極１１４ａを形成する。
【００６７】次に、図３０に振動子１１０の支持を示すが、上記実施の形態と同様であるため簡単に説明すると、切り出された振動子１１０は、４個の支持フレーム４０の８カ所の支持部４０ａと半田付けにより接合される。そして、上下に対向する支持フレーム４０間に支持ブロック４１を挟ませて固定させ、振動子１１０は宙吊りの状態で支持される。その他、回路との接続や共振の節点、共振周波数の調整についても上記実施の形態と同様なことが言える。
【００６８】次に、図３１を参照して、振動子１１０の接続される回路について説明する。
【００６９】図３１は図２８に示す圧電振動子１１０を用いた角速度センサーの処理回路であり、振動子１１０の駆動・検出兼用の側面電極１１３ａ，１１４ａに差動増幅器２０が接続されており、下面電極１１２ａはアースされており、上面電極１１１ａは振動バランスを確保するためのものである。それ以外の回路構成は図６と同様である。作動原理は、電極１１３ａ，１１４ａに駆動電圧が印加されると振動子１１０はｙ方向に振動し、回転２４によりｘ方向にコリオリ力が働くので電極１１３ａ，１１４ｂで信号を検出する。この信号処理も図１０の場合と同様である。
【００７０】以上述べたように、上記各実施の形態による振動子は、接着や溶接等の作業精度の管理が難しい工程を必要としない工程により製造される簡単な構造であり、製造コストを下げることができる。且つ高精度の組立（製造）が容易になり、小型化による組立精度低下の問題点を克服できる。すなわち、一体的な圧電体を単純な四角柱構造とし、しかも平板から砥石加工で切り出すという簡単な加工で得られ、電極の形成も平面にされるので容易に精度良くでき、検出特性に優れた高精度の振動子の製造ができる。また、平板状の圧電体の上下面にひとまとまりに電極をメッキで形成した後、四角柱状の振動子への切出し加工と同時に溝を設けて電極を分割しているので、独立した電極の形成が容易にできる。また、圧電セラミックスで振動子を構成するので、振動子の構成材料にＮｉを含む高価な磁性体を使用する第１従来例に比べ、製品価格の削減、モータなどからの磁界による検出感度の狂いがないという効果も奏する。また、分極処理は、振動子を切り出す前に、平板両面にメッキにより電極を形成させた後、厚さ方向に行う方が一回で行え、切り出した後それぞれの振動子に側面電極を印刷した後、それぞれについて分極処理をするよりも手間がかからず簡単に行える。また、分極の方向の違いにより、圧電体の伸縮の方向にわずかな違いが生じるが、振動子としての作動上では本質的な差はない。
【００７１】以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００７２】以上の各実施の形態では、振動子を自励振動させ共振させたが、他励振動でもよい。この場合、完全に共振周波数で振動させることは難しく、共振周波数に近い値での振動となる。
【００７３】また、以上の各実施の形態では、回転角速度は振動子の中心Ｃのまわりに生ずるとして説明したが、２つの検出用電極から等距離にある中心Ｃを通る直線上の点のまわりに回転角速度が発生すれば検出できる。
【００７４】また、以上の各実施の形態では、平板状の圧電体の上下面にはメッキにより電極を形成し、振動子を切り出した後のその側面には印刷により電極を形成したが、両者ともメッキあるいは印刷により形成してもよい。また、上下面には印刷で、側面にはメッキで形成してもよい。
【００７５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項１による圧電振動角速度センサーによれば、その振動子の構造を単純化し、製造コストを下げ、加工精度も高くすることができ、特性の安定化を確保しつつ振動子の小型化を図ることができる。
【００７６】また、本発明の請求項９又は請求項１３の圧電振動角速度センサーの振動子の製造方法によれば、振動子を簡単な工程で製造でき、製造コストを低くでき、また加工精度も高くすることができるので、特性のバラツキのない振動子を製造でき、小型化も可能となる。
【出願人】 【識別番号】０００００２１８５
【氏名又は名称】ソニー株式会社
【出願日】 平成１１年７月７日（１９９９．７．７）
【代理人】
【公開番号】 特開２００１−２１３５９（Ｐ２００１−２１３５９Ａ）
【公開日】 平成１３年１月２６日（２００１．１．２６）
【出願番号】 特願平１１−１９２９２９