(57)【要約】 【課題】  隣接する電極間の静電容量による電気的結合にともなう特性の低下を抑えてＳＮ比を高めるとともに、設計の自由度を高めて、駆動および検出回路構成を簡素化し、かつ分極工程を簡素化して量産性に優れた、低コストの圧電素子を提供する。【解決手段】  Ｈ字形状もしくは直方体の基板１０１の一面上に、下部電極１２０、分極された圧電薄膜１１９、および上部電極からなる、同一平面内に配置された、３以上の電気−機械変換手段を備えて、任意の１以上の前記電気−機械変換手段の分極された圧電薄膜１１９、すなわち分極部の分極の向きと、他の前記電気−機械変換手段の分極部の分極の向きとが互いに逆向きになるよう構成し、平衡形の駆動回路および／または検出回路を用いて、面内／面外方向の駆動振動モードを励振、または面内／面外方向の検出振動モードを検出する。【選択図】  図１
2010266298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも基板と、
前記基板の一面上に形成した下部電極と、
前記下部電極の面上に形成した圧電薄膜と、
前記圧電薄膜上に形成した複数の上部電極と、
任意の前記上部電極と前記下部電極との間で前記圧電薄膜を分極してなる分極部を備える圧電素子であって、
面内方向／面外方向の駆動振動モードを励振するための、または面内方向／面外方向の検出振動モードを検出するための、前記下部電極と任意の前記上部電極と前記分極部からなる、３以上の電気−機械変換手段を備え、
任意の１以上の前記電気−機械変換手段の前記分極部の分極の向きと、他の前記電気−機械変換手段の前記分極部の分極の向きとが互いに逆向きになるよう構成するとともに、
前記３以上の電気−機械変換手段を同一平面内に配置することを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記基板は、４つのアームと前記４つのアームを連結する連結部からなるＨ字形状を有したものであって、
前記４つのアームの一面上の各々に、前記下部電極、前記アームの長手方向に延在する３つの短冊状の上部電極、および前記下部電極と前記３つの短冊状の上部電極の各々との間にある３つの前記分極部からなる、３つの前記電気−機械変換手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記基板は、直方体の形状を有したものであって、
前記基板の一面上に、前記下部電極、前記直方体の長手方向に延在する４つの短冊状の上部電極、および前記下部電極と前記４つの短冊状の上部電極の各々との間にある４つの前記分極部からなる、４つの前記電気−機械変換手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
所望の駆動振動モードにおいて、
圧電薄膜に生じる歪の位相が正位相となる分極部の分極の向きと、前記歪の位相が逆位相となる分極部の分極の向きとが、互いに逆向きとなる電気−機械変換手段を有するとともに、
任意の前記電気−機械変換手段へ、同一位相の駆動信号を印加することによって、前記駆動振動モードを励振することを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項５】
所望の検出振動モードにおいて、
圧電薄膜に生じる歪の位相が正位相となる分極部の分極の向きと、前記歪の位相が逆位相となる分極部の分極の向きとが、互いに逆向きとなる電気−機械変換手段を有するとともに、
任意の前記電気−機械変換手段により得る、複数の同一位相の検出信号を加算する信号処理によって、前記検出振動モードを検出することを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項６】
所望の駆動振動モードにおいて、
圧電薄膜に生じる歪の位相が一致する、複数の電気−機械変換手段のうち、任意の一部の分極部の分極の向きと、他の分極部の分極の向きとが、互いに逆向きとなる電気−機械変換手段を有するとともに、
前記任意の一部の分極部を含む電気−機械変換手段へ正位相の駆動信号を印加し、かつ前記他の分極部を含む電気−機械変換手段へ逆位相の駆動信号を印加することによって、前記駆動振動モードを励振することを特徴とする請求項１および３のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項７】
所望の検出振動モードにおいて、
圧電薄膜に生じる歪の位相が一致する、複数の電気−機械変換手段のうち、任意の一部の分極部の分極の向きと、他の分極部の分極の向きとが、互いに逆向きとなる電気−機械変換手段を有するとともに、
前記任意の一部の分極部を含む電気−機械変換手段により得る逆位相の検出信号を、前記他の分極部を含む電気−機械変換手段により得る正位相の検出信号から減算する信号処理によって、前記検出振動モードを検出することを特徴とする請求項１および３のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項８】
駆動信号を印加する、任意の１以上の駆動用の上部電極から、隣接する検出用の上部電極へ、容量結合によって漏れる、１以上の漏れ信号が、互いに同位相および同振幅で相殺する、および／または互いに逆位相および同振幅で相殺するよう構成することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項９】
角速度センサの検出素子として利用することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム等に使用される角速度センサ、あるいは機器の振動衝撃検知、防犯システム等に使用される衝撃センサ等の検出素子に好適な圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体材料は、電気−機械変換効率が高く、これを用いた圧電素子は、小型で高感度なセンサを実現できることから、様々なセンサの検出素子として利用されている。近年では、厚さが数μｍの膜状の圧電体、すなわち圧電薄膜を大面積の基板上に再現性良く成膜する技術や、圧電薄膜を微細に加工する技術が確立され、超小型のセンサ用の圧電素子が量産性良く製造できるようになってきた。
【０００３】
例えば特許文献１には、このような圧電薄膜を用いたセンサ用の圧電素子に係る技術、すなわち圧電素子を角速度センサの検出素子として使用した技術が開示されている。
【０００４】
以下、特許文献１に開示されている角速度センサ（以下、従来の角速度センサという）の圧電素子について、図１０および図１１を用いて説明する。
【０００５】
図１０は、従来の角速度センサの圧電素子の斜視図である。また、図１１は、図１０に示す、従来の角速度センサの圧電素子のＥ−Ｅ’断面図である。
【０００６】
図１０に示すように、従来の角速度センサの検出素子３００、すなわち従来の角速度センサの圧電素子は、第１アーム３０１を第２アーム３０２に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの前記第１アーム３０１を支持する支持部３０３と、支持部３０３に一端を連結するとともに他端を実装基板等に固定する２つの固定用アーム３０４とを有するものである。固定用アーム３０４は、第１アーム３０１に第３アーム３０６を略直交方向に連結して形成した直交アームとするとともに、第３アーム３０６の両端に形成した固定部３０５にて実装基板に固定しているものである。
【０００７】
また、第２アーム３０２は、折曲して第２アーム３０２自身と対向する対向部３０８を設け、その先端には錘部３０７を連結しているものである。さらに、第２アーム３０２の錘部３０７を駆動させるための駆動電極部３０９、第２アーム３０２の駆動状態を検知するための検知電極部３１０、２つの第２アーム３０２の歪を感知させるための第１感知電極部３１１、および第２感知電極部３１２を配置しているものである。
【０００８】
そして、これら駆動電極部３０９、検知電極部３１０、第１感知電極部３１１、および第２感知電極部３１２は、図１１に示すように、膜状の圧電体３１５、すなわち圧電薄膜を介在させた下部電極３１４と上部電極３１３とからなるものである。この圧電体３１５には分極の向きを異ならせた分極部３１６ａ，３１６ｂと分極部３１７ａ，３１７ｂを並べて配置しており、分極部３１６ａ，３１６ｂと分極部３１７ａ，３１７ｂは、各々、下部電極３１４と上部電極３１３間において互いに逆向きに分極したものである。
【０００９】
このように従来の圧電素子では、分極の向きを異ならせた２つの分極部、すなわち分極部３１６ａ，３１６ｂと分極部３１７ａ，３１７ｂを並べて配置しているので、検知電極部３１０から出力される感知信号は、前記２つの分極部の差動信号となり、第１感知電極部３１１、および第２感知電極部３１２から引き出す信号線を各々１本にすることができるとともに、この差動信号に基づく加算信号から角速度が検出可能な、低背型の角速度センサを実現できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−４６０５６号公報（第３−５，７頁、第１−２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載の発明は、隣接する電極間の静電容量による電気的結合を引き起こし易いという問題がある。すなわち、圧電素子を構成する圧電薄膜の表面には、複数の電極が形成されるが、それぞれの電極の間隔が極めて狭くなることと、高い圧電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴという）等の圧電体は誘電率が高いことから、隣接する電極間の静電容量が増大し、一つの電極で取り扱う電気信号が他の電極へ飛び込む、いわゆる容量結合が大きくなり、角速度センサの性能に与える影響が無視できなくなるという問題がある。
【００１２】
具体的には、図１０に示す、駆動電極部３０９の駆動信号が、前記静電容量を介して、第１感知電極部３１１や第２感知電極部３１２、あるいは検知電極部３１０へ漏れ、角速度センサの静止時出力のオフセットや、自励発振の安定性に与える影響が懸念される。また、前記駆動信号の第１感知電極部３１１や第２感知電極部３１２への漏れが大きくなると、検出回路出力が飽和し易くなるため、検出回路の増幅率が低く制限され、角速度センサ全体のＳＮ比が低下してしまうという問題がある。
【００１３】
また、図１１に示す、圧電体３１５、すなわち圧電薄膜は、分極の向きを異ならせた分極部３１６ａ，３１６ｂと分極部３１７ａ，３１７ｂを並べて配置しているが、このような構造を有した圧電薄膜の製造には、複雑な分極工程が必要となる。すなわち、一方の分極部の分極の向きを逆向きとするため、分極部３１６ａと分極部３１６ｂ、分極部３１７ａと分極部３１７ｂの各々において、互いに逆方向の分極電圧を印加する必要があり、この場合、上部電極３１３を一旦、２分割してから前記分極電圧を印加しなければ、互いに逆向きに分極した分極部は得られない。その際、分割した前記上部電極３１３の各々に対して、前記分極電圧を印加するための、圧電素子外部へ繋ぐ２本の配線が必要となる。さらに、分極後に、分割した前記上部電極３１３を一つの上部電極に再形成する工程、および前記２本の配線を１本の配線に置き替える工程が必要である。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、上述したような、隣接する電極間の静電容量による電気的結合にともなう課題を解決し、さらに、角速度センサ等の検出素子として使用される圧電素子の設計の自由度を高めるとともに、量産性に優れた、低コストの圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
すなわち本発明によれば、少なくとも基板と、前記基板の一面上に形成した下部電極と、前記下部電極の面上に形成した圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成した複数の上部電極と、任意の前記上部電極と前記下部電極との間で前記圧電薄膜を分極してなる分極部を備える圧電素子であって、面内方向／面外方向の駆動振動モードを励振するための、または面内方向／面外方向の検出振動モードを検出するための、前記下部電極と任意の前記上部電極と前記分極部からなる、３以上の電気−機械変換手段を備え、任意の１以上の前記電気−機械変換手段の前記分極部の分極の向きと、他の前記電気−機械変換手段の前記分極部の分極の向きとが互いに逆向きになるよう構成するとともに、前記３以上の電気−機械変換手段を同一平面内に配置する圧電素子が得られる。
【００１６】
また本発明によれば、前記基板は、４つのアームと前記４つのアームを連結する連結部からなるＨ字形状を有したものであって、前記４つのアームの一面上の各々に、前記下部電極、前記アームの長手方向に延在する３つの短冊状の上部電極、および前記下部電極と前記３つの短冊状の上部電極の各々との間にある３つの前記分極部からなる、３つの前記電気−機械変換手段を備える前記圧電素子が得られる。
【００１７】
また本発明によれば、前記基板は、直方体の形状を有したものであって、前記基板の一面上に、前記下部電極、前記直方体の長手方向に延在する４つの短冊状の上部電極、および前記下部電極と前記４つの短冊状の上部電極の各々との間にある４つの前記分極部からなる、４つの前記電気−機械変換手段を備える前記圧電素子が得られる。
【００１８】
本発明の圧電素子は、例えば、４つのアームと前記４つのアームを連結する連結部からなるＨ字形状を有したシリコン等、あるいは直方体の形状を有したシリコン等からなる、厚さ数百μｍの基板の一方の面上の全面に対して、厚さ数μｍの白金等からなる下部電極を形成し、さらに前記下部電極の面上の全面に対して、例えば厚さ２０μｍ以下のＰＺＴ等からなる圧電薄膜を形成し、さらに前記圧電薄膜の面上に対して、厚さ数μｍの金等からなる複数の短冊状の上部電極を、各々離間して並置したものである。
【００１９】
例えばＨ字形状の基板を用いた場合には、Ｈ字形状の基板の４つのアームの各々の一面上に、３つの短冊状の上部電極の各々を、各アームの長手方向に延在して並置したものであるのがよい。そして、１つのアームにおいて、前記３つの短冊状の上部電極と下部電極の間にある圧電薄膜は、分極された状態にあり、前記３つの短冊状の上部電極の各々の直下に、３つの分極部を有しているのがよい。したがって、４本のアームを有した前記Ｈ字形状の基板を用いた場合には、１２個の短冊状の上部電極と、前記１２個の短冊状の上部電極の直下にある１２個の分極部を有したものであるのがよい。
【００２０】
また、例えば直方体の基板を用いた場合には、直方体の基板の一面上に、４つの短冊状の上部電極を、直方体の長手方向に延在して並置したものであるのがよい。例えば前記４つの短冊状の上部電極のうちの２つは、前記一面上の両側部に配置し、残りの２つは、前記両側部に配置した２つの短冊状の上部電極の間にあって、前記長手方向に直列して配置するのが好適である。そして、前記４つの短冊状の上部電極と下部電極の間にある圧電薄膜は、分極された状態にあり、前記４つの短冊状の上部電極の各々の直下に、４つの分極部を有しているのがよい。
【００２１】
そして、短冊状の上部電極と、前記下部電極と、これらの間にある前記圧電薄膜の分極部とからなるものを、面内方向または面外方向の駆動振動モードを励振するための電気−機械変換手段としたもの、あるいは面内方向または面外方向の検出振動モードを検出するための電気−機械変換手段としたものであるのがよい。
【００２２】
さらに、任意の１以上の電気−機械変換手段の分極部の分極の向きと、他の電気−機械変換手段の分極部の分極の向きとが互いに逆向きになるように、圧電薄膜を分極するのがよい。
【００２３】
例えばＨ字形状の基板の互いに対角に位置する任意の２つのアームの各々の一面上に並置して設けた、各３つの短冊状の上部電極のうちの中央に配置した上部電極の各々の直下にある、２つの分極部の分極の向きを、前記Ｈ字形状の基板に対して垂直方向にあって上向きとし、これら以外の１０個の分極部の向きを、前記Ｈ字形状の基板に対して垂直方向にあって下向きとなるようにするのがよい。
【００２４】
また、例えば直方体の基板の一面上に並置して設けた４つの短冊状の上部電極のうち、中央に直列に配置した２つの上部電極の各々の直下にある、２つの分極部のうちの１つの分極部の分極の向きを、直方体の基板に対して垂直方向にあって上向きとし、これ以外の３つの分極部の向きを、前記直方体の基板に対して垂直方向にあって下向きとなるようにするのがよい。
【００２５】
そして、３以上の電気−機械変換手段の各々を、同一平面内にあるように、基板上に配置するのがよい。
【００２６】
このような構成の圧電素子とすることにより、面内方向または面外方向の駆動振動モードを励振するための、任意の上部電極へ印加する駆動信号、および面内方向または面外方向の検出振動モードを検出するための、任意の上部電極より得る検出信号の各々を、正位相の信号または逆位相の信号へ、任意に変換することができる。
【００２７】
したがって、本発明の圧電素子の駆動回路および／または検出回路を、対ノイズ性に優れた平衡形の回路構成とすることが可能であるとともに、駆動回路構成および検出回路構成を簡素化することが可能となる。
【００２８】
なお、ここで表記した、面外方向とは、基板上に形成した圧電薄膜の成膜面に対して垂直な方向を示し、面内方向とは、基板上に形成した圧電薄膜の成膜面に対して平行な方向であって、かつ圧電素子の長さ方向、例えば前記基板がＨ字形状を有したものである場合は、Ｈ字を形作るアームの長手方向に垂直な方向を示す。
【００２９】
また、ここで表記した、駆動振動モードとは、圧電素子に対し、電気的な信号を印加することによって機械的な振動を生ずるモードのことを示し、検出振動モードとは、前記駆動振動モードを励振して生じた駆動振動と直交する方向の機械的な振動を生ずるモードのことを示す。前記駆動振動モードを励振し、かつ前記検出振動モードの大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動振動モードを励振した状態で、圧電素子に対し、駆動振動モードの振動面と検出振動モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、コリオリ力の作用により、検出振動モードが発生し、出力電圧として検出することができる。なお、前記コリオリ力とは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向に発生する慣性力のことである。
【００３０】
本発明によれば、所望の駆動振動モードにおいて、圧電薄膜に生じる歪の位相が正位相となる分極部の分極の向きと、前記歪の位相が逆位相となる分極部の分極の向きとが、互いに逆向きとなる電気−機械変換手段を有するとともに、任意の前記電気−機械変換手段へ、同一位相の駆動信号を印加することによって、前記駆動振動モードを励振する前記圧電素子が得られる。
【００３１】
本発明の圧電素子は、例えばＨ字形状の基板を用いた場合には、Ｈ字形状の基板の互いに対角に位置する任意の２つのアーム（以下、第１のアーム対という）と、残りの２つのアーム（以下、第２のアーム対という）とにおいて、駆動振動モードを励振したときに、第１のアーム対に設けた圧電薄膜に生じる歪が正位相となるように、前記第１のアーム対に設けた圧電薄膜の任意の分極部が、例えば基板に対して垂直方向で上向きに分極されている電気−機械変換手段を有したものとし、また第２のアーム対に設けた圧電薄膜に生じる歪が逆位相となるように、前記第２のアーム対に設けた圧電薄膜の任意の分極部が、例えば基板に対して垂直方向で下向きに分極されている電気−機械変換手段を有したものとするのがよい。
【００３２】
そして、任意の電気−機械変換手段、例えばＨ字形状の基板の４本のアームの一面上の各々に対して並置して設けた３つの短冊状の上部電極のうち、中央に配置した短冊状の上部電極の各々と、それらの直下にある分極部と、下部電極で構成される、４つの電気−機械変換手段に対し、同一位相の駆動信号を印加することによって、駆動振動モードを励振するのがよい。
【００３３】
このような構成とすることにより、所望の駆動振動モードにおいて、従来、正逆二位相の駆動信号を印加する必要があった駆動回路の構成を、正または逆いずれかの単一位相の駆動信号を印加する駆動回路に置き換えて、駆動振動モードを励振することが可能となる。その結果、駆動回路は簡素化され、より低コストの駆動回路で駆動する圧電素子を得ることができる。
【００３４】
本発明によれば、所望の検出振動モードにおいて、圧電薄膜に生じる歪の位相が正位相となる分極部の分極の向きと、前記歪の位相が逆位相となる分極部の分極の向きとが、互いに逆向きとなる電気−機械変換手段を有するとともに、任意の前記電気−機械変換手段により得る、複数の同一位相の検出信号を加算する信号処理によって、前記検出振動モードを検出する前記圧電素子が得られる。
【００３５】
本発明の圧電素子は、例えばＨ字形状の基板を用いた場合には、第１のアーム対と、第２のアーム対とにおいて、検出振動モードを検出するときに、前記第１のアーム対に設けた圧電薄膜に生じる歪が正位相となるように、前記第１のアーム対に設けた圧電薄膜の任意の分極部が、例えば基板に対して垂直方向で上向きに分極されている電気−機械変換手段を有したものとし、また前記第２のアーム対に設けた圧電薄膜に生じる歪が逆位相となるように、前記第２のアーム対に設けた圧電薄膜の任意の分極部が、例えば基板に対して垂直方向で下向きに分極されている電気−機械変換手段を有したものとするのがよい。
【００３６】
そして、任意の電気−機械変換手段、例えばＨ字形状の基板の４本のアームの一面上の各々に対して並置して設けた３つの短冊状の上部電極のうち、中央に配置した短冊状の上部電極の各々と、それらの直下にある分極部と、下部電極で構成される、４つの電気−機械変換手段より得る、４つの同一位相の検出信号を加算する信号処理によって、検出振動モードを検出するのがよい。
【００３７】
このような構成とすることにより、所望の検出振動モードにおいて、従来、正逆二位相の検出信号を検出する必要があった検出回路の構成を、正または逆いずれかの単一位相の検出信号を検出する検出回路に置き換えて、検出振動モードを検出することが可能となる。また、複数の電気−機械変換手段により得る、複数の検出信号を、電荷検出回路あるいは電流検出回路等を用いて検出することにより、同期検波回路へ入力する前段で、前記複数の検出信号が統合された単一の検出信号を得ることができ、これにともない、検出回路における入力端子数を削減し、検出回路を構成するＩＣ部品等のパッド数を必要最小限に抑えることができる。その結果、検出回路は簡素化され、より低コストの検出回路で検出する圧電素子を得ることができる。
【００３８】
本発明によれば、所望の駆動振動モードにおいて、圧電薄膜に生じる歪の位相が一致する、複数の電気−機械変換手段のうち、任意の一部の分極部の分極の向きと、他の分極部の分極の向きとが、互いに逆向きとなる電気−機械変換手段を有するとともに、前記任意の一部の分極部を含む電気−機械変換手段へ正位相の駆動信号を印加し、かつ前記他の分極部を含む電気−機械変換手段へ逆位相の駆動信号を印加することによって、前記駆動振動モードを励振する前記圧電素子が得られる。
【００３９】
本発明の圧電素子は、例えば直方体の基板を用いた場合には、直方体の長手方向の一方の端部と直方体の長手方向の他方の端部とにおいて、駆動振動モードを励振したときに、前記直方体の長手方向の一方の端部に位置する圧電薄膜に生じる歪の位相と、前記直方体の長手方向の他方の端部に位置する圧電薄膜に生じる歪の位相が一致、すなわち両者の歪の位相が同位相となるように、任意の一部の分極部が、例えば基板に対して垂直方向で上向きに分極されている電気−機械変換手段を有したものとし、他の分極部が、例えば基板に対して垂直方向で下向きに分極されている電気−機械変換手段を有したものとするのがよい。
【００４０】
そして、任意の一部の分極部を含む電気−機械変換手段、例えば直方体の基板の一面上の長手方向に設けた４つの短冊状の上部電極のうち、前記一面上の両側部に配置した２つの短冊状の上部電極の間にあって、直方体の長手方向の他方の端部側に配置した短冊状の上部電極と、その直下にある、上向きに分極されている分極部と、下部電極で構成される、１つの電気−機械変換手段に対し、正位相の駆動信号を印加し、かつ、他の圧電薄膜の分極部を含む電気−機械変換手段、例えば直方体の基板の一面上の長手方向に設けた４つの短冊状の上部電極のうち、前記一面上の両側部に配置した２つの短冊状の上部電極の間にあって、直方体の長手方向の一方の端部側に配置した短冊状の上部電極と、その直下にある、下向きに分極されている分極部と、下部電極で構成される、１つの電気−機械変換手段に対し、逆位相の駆動信号を印加することによって、駆動振動モードを励振するのがよい。
【００４１】
このような構成とすることにより、所望の駆動振動モードにおいて、従来、正または逆いずれかの単一位相の駆動信号でのみしか駆動できなかった回路構成を、正逆二位相の駆動信号を印加する駆動回路に置き換えて、駆動振動モードを励振することが可能となる。この場合、従来の駆動回路よりやや複雑な回路構成となるが、平衡形の駆動回路を構成することができるので、平衡形の検出回路を構成できない場合に有効である。平衡形の駆動回路を構成することにより、駆動信号の検出信号への漏れを相殺することが可能となる。
【００４２】
本発明によれば、所望の検出振動モードにおいて、圧電薄膜に生じる歪の位相が一致する、複数の電気−機械変換手段のうち、任意の一部の分極部の分極の向きと、他の分極部の分極の向きとが、互いに逆向きとなる電気−機械変換手段を有するとともに、前記任意の一部の分極部を含む電気−機械変換手段により得る逆位相の検出信号を、前記他の分極部を含む電気−機械変換手段により得る正位相の検出信号から減算する信号処理によって、前記検出振動モードを検出する前記圧電素子が得られる。
【００４３】
本発明の圧電素子は、例えば直方体の基板を用いた場合には、直方体の長手方向の一方の端部と直方体の長手方向の他方の端部とにおいて、検出振動モードを検出するときに、前記直方体の長手方向の一方の端部に位置する圧電薄膜に生じる歪の位相と、前記直方体の長手方向の他方の端部に位置する圧電薄膜に生じる歪の位相が一致、すなわち両者の歪の位相が同位相となるように、任意の一部の分極部が、例えば基板に対して垂直方向で上向きに分極されている電気−機械変換手段を有したものとし、他の分極部が、例えば基板に対して垂直方向で下向きに分極されている電気−機械変換手段を有したものとするのがよい。
【００４４】
そして、任意の一部の分極部を含む電気−機械変換手段、例えば直方体の基板の一面上の長手方向に設けた４つの短冊状の上部電極のうち、前記一面上の両側部に配置した２つの短冊状の上部電極の間にあって、直方体の長手方向の他方の端部側に配置した短冊状の上部電極と、その直下にある、上向きに分極されている分極部と、下部電極で構成される、１つの電気−機械変換手段により得る逆位相の検出信号を、他の分極部を含む電気−機械変換手段、例えば直方体の基板の一面上の長手方向に設けた４つの短冊状の上部電極のうち、前記一面上の両側部に配置した２つの短冊状の上部電極の間にあって、直方体の長手方向の一方の端部側に配置した短冊状の上部電極と、その直下にある、下向きに分極されている分極部と、下部電極で構成される、１つの電気−機械変換手段により得る正位相の検出信号から減算する信号処理によって、検出振動モードを検出するのがよい。
【００４５】
このような構成とすることにより、所望の検出振動モードにおいて、従来、正または逆いずれかの単一位相の検出信号のみしか検出できなかった回路構成を、正逆二位相の検出信号を検出する検出回路に置き換えて、検出振動モードを検出することが可能となる。この場合、従来の検出回路よりやや複雑な回路構成となるが、平衡形の検出回路を構成することができるので、平衡形の駆動回路を構成できない場合に有効である。平衡形の検出回路を構成することにより、駆動信号の検出信号への漏れを相殺することが可能となる。
【００４６】
本発明によれば、駆動信号を印加する駆動用の上部電極から、隣接する検出用の上部電極へ、容量結合によって漏れる、２以上の漏れ信号が、互いに同位相および同振幅で相殺する、および／または互いに逆位相および同振幅で相殺するよう構成した前記圧電素子が得られる。
【００４７】
本発明の圧電素子は、離間して並置した複数の上部電極間において、一つの上部電極で取り扱う電気信号が他の上部電極へ飛び込む、いわゆる容量結合を回避するために、駆動用の上部電極へ印加する駆動信号の漏れ信号が、隣接する検出用の上部電極へ漏れた際、前記検出用の上部電極が受信した、２以上の漏れ信号の各々が、互いに同位相および同振幅の電気信号となるように駆動回路および検出回路を構成して、前記漏れ信号同士が打ち消し合うようにするのがよく、あるいは、前記検出用の上部電極が受信した、２以上の漏れ信号の各々が、互いに逆位相および同振幅の電気信号となるように駆動回路および検出回路を構成して、前記漏れ信号同士が打ち消し合うようにするのがよい。
【００４８】
このような構成とすることにより、検出用の１以上の上部電極が受信した漏れ信号の各々が、互いに同位相および同振幅の電気信号であった場合には、これらを減算する信号処理をして同期検波回路等へ入力させないようにすることができ、また、検出用の１以上の上部電極が受信した漏れ信号の各々が、互いに逆位相および同振幅の電気信号であった場合には、これらを加算する信号処理をして同期検波回路等へ入力させないようにすることができる。
【００４９】
本発明によれば、角速度センサの検出素子として利用する前記圧電素子が得られる。
【００５０】
本発明の圧電素子は、駆動振動モードを励振し、コリオリ力の作用により、検出振動モードを検出して角速度を検出する角速度センサの検出素子とするのがよい。
【発明の効果】
【００５１】
上述した構成とすることによって、本発明は以下のような効果を奏す。すなわち本発明の圧電素子は、圧電薄膜上に設けた複数の上部電極毎に、分極部を形成するようにしたので、圧電薄膜を分極する際の余分な工程を排除して分極工程を簡素化することができる。また、電気−機械変換手段を構成する圧電薄膜の任意の分極部の分極の向きと、前記任意の分極部の分極以外の分極部の分極の向きが互いに逆向きとなるようにしたので、圧電素子の駆動振動モードを励振するための駆動回路、および／または検出振動モードを検出するための検出回路を平衡形に構成して、駆動信号の検出信号への漏れを相殺することが可能となり、さらに、正逆二位相の駆動信号で駆動振動モードを励振することもできるし、正または逆いずれかの単一位相の駆動信号で駆動振動モードを励振することもできる。あるいは、正逆二位相の検出信号として検出振動モードを検出することもできるし、正または逆いずれかの単一位相の検出信号として検出振動モードを検出することもできる。これにより、ＳＮ比が高く、かつ設計の自由度を高めて、駆動および検出回路構成を簡素化し、なおかつ量産性に優れた、低コストの圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例１および２に係る圧電素子の斜視図。
【図２】本発明の実施例１に係る圧電素子の断面図。図２（ａ）は、図１に示す圧電素子のＡ−Ａ’断面を示し、図２（ｂ）は、図１に示す圧電素子のＢ−Ｂ’断面を示す。
【図３】本発明の実施例１に係る圧電素子の上面図および回路結線図。
【図４】本発明の実施例２に係る圧電素子の断面図。図４（ａ）は、図１に示す圧電素子のＡ−Ａ’断面を示し、図４（ｂ）は、図１に示す圧電素子のＢ−Ｂ’断面を示す。
【図５】本発明の実施例２に係る圧電素子の上面図および回路結線図。
【図６】本発明の実施例３および４に係る圧電素子の斜視図。
【図７】本発明の実施例３および４に係る圧電素子の断面図。図７（ａ）は、図６に示す圧電素子のＣ−Ｃ’断面を示し、図７（ｂ）は、図６に示す圧電素子のＤ−Ｄ’断面を示す。
【図８】本発明の実施例３に係る圧電素子の上面図および回路結線図。
【図９】本発明の実施例４に係る圧電素子の上面図および回路結線図。
【図１０】従来技術に係る圧電素子の斜視図。
【図１１】図１０に示す、従来技術に係る圧電素子のＥ−Ｅ’断面図。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００５４】
本発明の圧電素子は、Ｈ字形状を有した基板、あるいは直方体の形状を有した基板の一面上に下部電極を形成し、その上面に圧電薄膜を形成し、さらにその上面に複数の短冊状の上部電極を離間して並置して形成してなるものであって、前記複数の短冊状の上部電極のうち、１以上の任意の上部電極を、駆動振動モードを励振するための駆動用の上部電極とし、それ以外の１以上の任意の上部電極を、検出振動モードを検出するための検出用の上部電極としたものである。前記駆動用の上部電極および前記検出用の上部電極と、前記下部電極の間にある圧電薄膜の各々は、前記圧電薄膜の成膜面に垂直な方向に分極されており、そのうちの１以上の任意の分極部の分極の向きと、その他の分極部の分極の向きが、互いに逆向きとなるように分極したものである。
【００５５】
そして、本発明の圧電素子は、１以上の任意の駆動用の上部電極と下部電極間に任意の駆動信号を印加することによって、圧電薄膜に歪を発生させて、面内方向あるいは面外方向に圧電素子を屈曲振動させるようにしたものである。また、前記任意の駆動信号によって屈曲振動している圧電素子に対して、前記圧電素子の長手方向を回転軸とした角速度を加えたときに、前記屈曲振動の振動面と垂直な方向に発生するコリオリ力を受けて生じる圧電薄膜の歪によって、面内方向あるいは面外方向に圧電素子を屈曲振動させるようにしたものである。そして、このときの圧電現象よって生じる電圧出力を、前記圧電素子から取り出すようにしたものである。
【００５６】
さらに、前記駆動用の上部電極と、その直下にある圧電薄膜の分極部と、下部電極とで構成される、任意の電気−機械変換手段に対し、任意の正位相または任意の逆位相の駆動信号を印加して、駆動振動モードを励振するとともに、検出振動モードにおいて、前記検出用の上部電極と、その直下にある圧電薄膜の分極部と、下部電極とで構成される、任意の電気−機械変換手段より得る、任意の正位相または任意の逆位相の検出信号を加算あるいは減算する信号処理により、駆動信号の漏れ信号を出力させないようにしたものである。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明の圧電素子の実施例について、図１ないし図１１を参照しながら説明する。
【００５８】
（実施例１）
初めに、本発明の実施例１に係る圧電素子について、図１ないし図３を用いて詳説する。図１は、本発明の実施例１に係る圧電素子の斜視図である。また図２は、本発明の実施例１に係る圧電素子の断面図である。ただし、図２（ａ）は、図１に示す圧電素子のＡ−Ａ'断面を示し、図２（ｂ）は、図１に示す圧電素子のＢ−Ｂ'の断面を示す。
【００５９】
図１および図２に示すように、本発明の圧電素子１００は、厚さ１００μｍのシリコンの基板１０１の一面上に、下部電極１２０を形成し、その上面に、厚さ２μｍのＰＺＴの圧電薄膜１１９を形成し、さらにその上面に、短冊状の上部電極を形成して、Ｈ字形状に切り出し加工したものである。前記下部電極１２０は、シリコンの基板１０１の表面を酸化処理して形成した厚さ１μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ３５ｎｍのチタン膜と、さらにその上面に、スパッタ法で形成した厚さ２００ｎｍの白金膜とで構成される。前記短冊状の上部電極は、圧電薄膜１１９の上面に、スパッタ法で形成した厚さ３５ｎｍのクロム膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ３００ｎｍの金の膜とで構成される。Ｈ字形状の前記基板１０１は、第１のアーム１１４、第２のアーム１１５、第３のアーム１１６、および第４のアーム１１７からなる４つのアームと、前記４つのアームを連結する連結部１１８からなる。
【００６０】
そして本発明の圧電素子１００は、前記第１のアーム１１４の一面上に、前記下部電極１２０と、前記第１のアーム１１４の長手方向に延在し、離間して並置した、短冊状の第１の上部電極１０２、第２の上部電極１０３、および第３の上部電極１０４からなる３つの上部電極と、前記第１の上部電極１０２と前記下部電極１２０との間にある第１の分極部、前記第２の上部電極１０３と前記下部電極１２０の間にある第２の分極部、および前記第３の上部電極１０４と前記下部電極１２０の間にある第３の分極部からなる３つの分極部とから構成される、３つの電気−機械変換手段を備えている。
【００６１】
また本発明の圧電素子１００は、前記第２のアーム１１５の一面上に、前記下部電極１２０と、前記第２のアーム１１５の長手方向に延在する短冊状の第４の上部電極１０５、第５の上部電極１０６、および第６の上部電極１０７からなる３つの上部電極と、前記第４の上部電極１０５と前記下部電極１２０の間にある第４の分極部、前記第５の上部電極１０６と前記下部電極１２０の間にある第５の分極部、および前記第６の上部電極１０７と前記下部電極１２０の間にある第６の分極部からなる３つの分極部とから構成される、３つの電気−機械変換手段を備えている。
【００６２】
また本発明の圧電素子１００は、前記第３のアーム１１６の一面上に、前記下部電極１２０と、前記第３のアーム１１６の長手方向に延在する短冊状の第７の上部電極１０８、第８の上部電極１０９、および第９の上部電極１１０からなる３つの上部電極と、前記第７の上部電極１０８と前記下部電極１２０の間にある第７の分極部、前記第８の上部電極１０９と前記下部電極１２０の間にある第８の分極部、および前記第９の上部電極１１０と前記下部電極１２０の間にある第９の分極部からなる３つの分極部とから構成される、３つの前記電気−機械変換手段を備えている。
【００６３】
また本発明の圧電素子１００は、前記第４のアーム１１７の一面上に、前記下部電極１２０と、前記第４のアーム１１７の長手方向に延在する短冊状の第１０の上部電極１１１、第１１の上部電極１１２、および第１２の上部電極１１３からなる３つの上部電極と、前記第１０の上部電極１１１と前記下部電極１２０の間にある第１０の分極部、前記第１１の上部電極１１２と前記下部電極１２０の間にある第１１の分極部、および前記第１２の上部電極１１３と前記下部電極１２０の間にある第１２の分極部からなる３つの分極部とから構成される、３つの電気−機械変換手段を備えている。
【００６４】
そして、図２に示すように、前記電気−機械変換手段を構成する圧電薄膜１１９は、前記圧電薄膜１１９の成膜面に対し垂直な方向、すなわちＺ軸方向であって、矢印で示す向きに分極処理が施こされている。
【００６５】
すなわち、前記第５の分極部および前記第８の分極部の２つの分極部は、各々の圧電薄膜１１９がＺ軸方向の正の向きに分極された分極部であり、これら以外の、前記第１の分極部、前記第２の分極部、前記第３の分極部、前記第４の分極部、前記第６の分極部、前記第７の分極部、前記第９の分極部、前記第１０の分極部、前記第１１の分極部、および前記第１２の分極部の１０個の分極部は、各々の圧電薄膜１１９がＺ軸方向の負の向きに分極された分極部である。なお、これら分極部の分極処理は、上部電極の各々と下部電極１２０との間に直流電圧を印加することによって、予めなされている。
【００６６】
このような構成とすることにより、第２の上部電極１０３と下部電極１２０との間、第５の上部電極１０６と下部電極１２０との間、第８の上部電極１０９と下部電極１２０との間、および第１１の上部電極１１２と下部電極１２０との間に正または逆いずれかの単一位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加すると、圧電薄膜１１９の成膜面に対し垂直な方向であるＺ軸方向、すなわち面外方向に圧電素子１００を屈曲振動させることができる。この場合、Ｈ字形状の基板１０１の第１のアーム１１４と第３のアーム１１６が互いに逆位相で面外方向に屈曲振動し、第１のアーム１１４と第２のアーム１１５も互いに逆位相で面外方向に屈曲振動する。すなわちＨ字形状の基板１０１の互いに対角に位置する、第１のアーム１１４と第４のアーム１１７からなる第１のアーム対、および第２のアーム１１５と第３のアーム１１６からなる第２のアーム対は、互いに逆位相で面外方向に屈曲振動する。
【００６７】
また、第１の上部電極１０２と下部電極１２０との間、第６の上部電極１０７と下部電極１２０との間、第９の上部電極１１０と下部電極１２０との間、および第１０の上部電極１１１と下部電極１２０との間に正位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加し、第３の上部電極１０４と下部電極１２０との間、第４の上部電極１０５と下部電極１２０との間、第７の上部電極１０８と下部電極１２０との間、および第１２の上部電極１１３と下部電極１２０との間に逆位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加すると、圧電薄膜１１９の成膜面に対し平行で、かつ圧電素子１００の長さ方向に垂直な方向であるＸ軸方向、すなわち面内方向に圧電素子１００を屈曲振動させることができる。この場合、Ｈ字形状の基板１０１の第１のアーム１１４と第３のアーム１１６が互いに逆位相で面内方向に屈曲振動し、第１のアーム１１４と第２のアーム１１５も互いに逆位相で面内方向に屈曲振動する。すなわちＨ字形状の基板１０１の互いに対角に位置する、第１のアーム１１４と第４のアーム１１７からなる第１のアーム対、および第２のアーム１１５と第３のアーム１１６からなる第２のアーム対は、互いに逆位相で面内方向に屈曲振動する。
【００６８】
なお、Ｈ字形状の基板１０１を用いた本発明の実施例１に係る圧電素子１００においては、上述した２つの屈曲振動、すなわち第１のアーム対および第２のアーム対が互いに逆位相である面外方向の屈曲振動、および第１のアーム対および第２のアーム対が互いに逆位相である面内方向の屈曲振動は、Ｈ字形状の前記基板１０１の連結部１１８に、前記屈曲振動のノード点を有するので、前記ノード点付近の前記連結部１１８で、前記圧電素子１００を支持、および固定することができる。
【００６９】
図３は、本発明の実施例１に係る圧電素子の上面図および回路結線図である。図３は、図１および図２で示した圧電素子に対し、駆動振動モードを励振するための駆動回路と、検出振動モードを検出するための検出回路を接続したときの回路構成を示している。
【００７０】
初めに、本発明の実施例１に係る圧電素子１００の駆動振動モードを励振するための駆動回路について説明する。前記駆動回路は、少なくとも発振回路１２１、および第３の電流検出回路１２６から構成される。
【００７１】
図３に示すように、駆動用の上部電極、すなわち、第２の上部電極１０３、第５の上部電極１０６、および第８の上部電極１０９の各々は、前記発振回路１２１と接続されている。また、下部電極（図示せず）は、基準電位回路１２２に接続され、電源電圧の半分程度の電位に固定されている。前記発振回路１２１によって生成された、前記面外方向の屈曲振動の共振周波数に略一致する周波数であって、かつ正位相の交流電圧、すなわち駆動信号が、前記第２の上部電極１０３、前記第５の上部電極１０６、および前記第８の上部電極１０９の各々と前記下部電極の間に印加される。
【００７２】
なお、第１１の上部電極１１２は、前記第３の電流検出回路１２６と接続され、前記面外方向の屈曲振動を検出する。すなわち前記圧電素子１００に対して駆動振動モードを励振したとき、第４のアーム１１７の電気−機械変換手段により出力される電気信号が、前記第３の電流検出回路１２６を経由し、前記発振回路１２１に入力するよう閉回路を構成して、前記圧電素子１００が前記面外方向の屈曲振動の共振周波数で自励発振するようにしたものである。
【００７３】
前記圧電素子１００に対して駆動振動モードを励振した状態で、Ｈ字形状の前記基板１０１の長手方向の中心軸、すなわちＹ軸を回転軸として回転して、前記圧電素子１００に角速度を加えると、コリオリ力の作用により、前記圧電素子１００に前記面内方向の屈曲振動、すなわち第１のアーム対および第２のアーム対が互いに逆位相である面内方向の屈曲振動が発生する。このとき、前記面内方向の屈曲振動は、駆動振動モードを励振して生じた、前記面外方向の屈曲振動と同じ周波数であり、前記圧電素子１００に加えた前記角速度、および前記面外方向の屈曲振動の振動速度に比例する。前記面外方向の屈曲振動の振動速度が一定の条件下において、前記面内方向の屈曲振動の振幅の大きさを検出できれば、前記圧電素子１００に加えた前記角速度を検出することができる。
【００７４】
次に、本発明の実施例１に係る圧電素子１００の検出振動モードを検出するための検出回路について説明する。前記検出回路は、少なくとも第１の電流検出回路１２４、第２の電流検出回路１２５、減算回路１２７、および同期検波回路１２３で構成される。
【００７５】
図３に示すように、検出用の８つの上部電極、すなわち、第３の上部電極１０４、第４の上部電極１０５、第７の上部電極１０８、および第１２の上部電極１１３は、前記第１の電流検出回路１２４と接続され、第１の上部電極１０２、第６の上部電極１０７、第９の上部電極１１０、および第１０の上部電極１１１は、前記第２の電流検出回路１２５と接続されている。
【００７６】
上述したように、駆動振動モードを励振した状態にある前記圧電素子１００のＹ軸を中心軸として、前記圧電素子１００を回転させて角速度を加えると、コリオリ力の作用により、圧電薄膜に歪が生まれ、前記面内方向の屈曲振動が起こる。そして、このときの前記圧電薄膜の圧電効果により、上部電極の各々と下部電極の間に起電力が生じる。
【００７７】
この場合、前記第１の電流検出回路１２４が検出する、加算された、前記第３の上部電極１０４、前記第４の上部電極１０５、前記第７の上部電極１０８、および前記第１２の上部電極１１３を含む、電気−機械変換手段の各々から出力される電気信号と、前記第２の電流検出回路１２５が検出する、加算された、前記第１の上部電極１０２、前記第６の上部電極１０７、前記第９の上部電極１１０、および前記第１０の上部電極１１１を含む、電気−機械変換手段の各々から出力される電気信号とは、互いに逆位相である。
【００７８】
そして、互いに逆位相である、前記第１の電流検出回路１２４が検出する電気信号と前記第２の電流検出回路１２５が検出する電気信号は、前記第１の電流検出回路１２４および前記第２の電流検出回路１２５の各々と接続された減算回路１２７に入力され、減算処理される。
【００７９】
さらに、前記減算回路１２７で減算処理された電気信号は、前記減算回路１２７と接続された同期検波回路１２３へ入力される。同時に、前記同期検波回路１２３に対して、前記発振回路１２１から参照信号が与えられる。そして、前記電気信号から、自励発振の周波数成分のみを抽出し、さらにこれを、検出される前記角速度の周波数帯域を考慮したカットオフ周波数のローパスフィルタ（図示せず）で整流することによって、前記同期検波回路１２３から、前記角速度に比例する電圧を出力することができる。
【００８０】
このように本発明の実施例１に係る圧電素子１００を、図３に示す駆動回路および検出回路と接続し、前記駆動回路によって駆動振動モードを励振して、予め、前記面外方向の共振周波数で屈曲振動させることができる。そして、前記圧電素子１００の長手方向の軸、すなわちＹ軸を中心として、前記圧電素子１００を回転させたときに生じるコリオリ力の作用による歪は、前記面内方向の屈曲振動を新たに引き起こす。このときの前記面内方向の屈曲振動の振幅の大きさは、電気−機械変換手段により電気信号に変換される。すなわち前記検出回路によって検出振動モードを検出することができる。
【００８１】
したがって、前記圧電素子１００に対して加えた角速度は、このとき検出した前記同期検波回路１２３から得られる直流電圧の変化として知ることができる。つまり前記圧電素子１００は、角速度センサの検出素子として機能する。
【００８２】
ただしこの場合、前記駆動回路から印加される駆動信号は、駆動用の上部電極の各々から、隣接する検出用の上部電極の各々と容量結合して漏れてしまう。しかし、第２の上部電極１０３から第３の上部電極１０４へ漏れる漏れ信号と、第２の上部電極１０３から第１の上部電極１０２へ漏れる漏れ信号は、互いに同位相で同振幅である。また、第５の上部電極１０６から第４の上部電極１０５へ漏れる漏れ信号と、第５の上部電極１０６から第６の上部電極１０７へ漏れる漏れ信号は、互いに同位相で同振幅である。また、第８の上部電極１０９から第７の上部電極１０８へ漏れる漏れ信号と、第８の上部電極１０９から第９の上部電極１１０へ漏れる漏れ信号は、互いに同位相で同振幅である。また同様に、第１１の上部電極１１２から第１２の上部電極１１３へ漏れる漏れ信号と、第１１の上部電極１１２から第１０の上部電極１１１へ漏れる漏れ信号は、互いに同位相で同振幅である。したがって、これら全ての漏れ信号を上述した前記検出回路の前記減算回路１２７で減算処理することにより相殺することができる。よって、角速度センサのＳＮ比を低下させる原因となる漏れ信号は、同期検波回路１２３へ入力されない。
【００８３】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２に係る圧電素子について、図１、図４、および図５を用いて詳説する。図１は、本発明の実施例２に係る圧電素子の斜視図である。また図４は、本発明の実施例２に係る圧電素子の断面図である。ただし、図４（ａ）は、図１に示す圧電素子のＡ−Ａ'断面を示し、図４（ｂ）は、図１に示す圧電素子のＢ−Ｂ'の断面を示す。
【００８４】
本発明の圧電素子１００は、上述した本発明の実施例１に係る圧電素子１００と同様の、図１に示す、Ｈ字形状の基板１０１の一面上に、下部電極１２０、圧電薄膜１１９、および複数の短冊状の上部電極を形成したものである。ただし、電気−機械変換手段を構成する圧電薄膜１１９の分極処理が、本発明の実施例１に係る圧電素子１００とは異なる。
【００８５】
図４に示すように、前記電気−機械変換手段を構成する圧電薄膜１１９は、前記圧電薄膜１１９の成膜面に対し垂直な方向、すなわちＺ軸方向であって、矢印で示す向きに分極処理が施こされている。
【００８６】
すなわち、第５の上部電極１０６と前記下部電極１２０の間にある第５の分極部、第８の上部電極１０９と前記下部電極１２０の間にある第８の分極部、および第１０の上部電極１１１と前記下部電極１２０の間にある第１０の分極部の３つの分極部は、各々の圧電薄膜１１９がＺ軸方向の正の向きに分極された分極部であり、これら以外の、第１の上部電極１０２と前記下部電極１２０の間にある第１の分極部、第２の上部電極１０３と前記下部電極１２０の間にある第２の分極部、第３の上部電極１０４と前記下部電極１２０の間にある第３の分極部、第４の上部電極１０５と前記下部電極１２０の間にある第４の分極部、第６の上部電極１０７と前記下部電極１２０の間にある第６の分極部、第７の上部電極１０８と前記下部電極１２０の間にある第７の分極部、第９の上部電極１１０と前記下部電極１２０の間にある第９の分極部、第１１の上部電極１１２と前記下部電極１２０の間にある第１１の分極部、および第１２の上部電極１１３と前記下部電極１２０の間にある第１２の分極部の９つの分極部は、各々の圧電薄膜１１９がＺ軸方向の負の向きに分極された分極部である。なお、これら分極部の分極処理は、上部電極の各々と下部電極１２０との間に直流電圧を印加することによって、予めなされている。
【００８７】
このような構成とすることにより、第３の上部電極１０４と下部電極１２０との間、第４の上部電極１０５と下部電極１２０との間、第７の上部電極１０８と下部電極１２０との間、第１０の上部電極１１１と下部電極１２０との間、および第１２の上部電極１１３と下部電極１２０との間に正位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加し、第１の上部電極１０２と下部電極１２０との間、第６の上部電極１０７と下部電極１２０との間、および第９の上部電極１１０と下部電極１２０との間に逆位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加すると、圧電薄膜１１９の成膜面に対して平行な方向であって、かつ圧電素子１００の長さ方向に垂直な方向であるＸ軸方向、すなわち面内方向に圧電素子１００を屈曲振動させることができる。この場合、Ｈ字形状の基板１０１の第１のアーム１１４と第３のアーム１１６が互いに逆位相で面内方向に屈曲振動し、第１のアーム１１４と第２のアーム１１５も互いに逆位相で面内方向に屈曲振動する。すなわちＨ字形状の基板１０１の互いに対角に位置する、第１のアーム１１４と第４のアーム１１７からなる第１のアーム対、および第２のアーム１１５と第３のアーム１１６からなる第２のアーム対は、互いに逆位相で面内方向に屈曲振動する。
【００８８】
また、第２の上部電極１０３と下部電極１２０との間、第５の上部電極１０６と下部電極１２０との間、第８の上部電極１０９と下部電極１２０との間、および第１１の上部電極１１２と下部電極１２０との間に正または逆いずれかの単一位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加すると、圧電薄膜１１９の成膜面に対し垂直な方向であるＺ軸方向、すなわち面外方向に圧電素子１００を屈曲振動させることができる。この場合、Ｈ字形状の基板１０１の第１のアーム１１４と第３のアーム１１６が互いに逆位相で面外方向に屈曲振動し、第１のアーム１１４と第２のアーム１１５も互いに逆位相で面外方向に屈曲振動する。すなわちＨ字形状の基板１０１の互いに対角に位置する、第１のアーム１１４と第４のアーム１１７からなる第１のアーム対、および第２のアーム１１５と第３のアーム１１６からなる第２のアーム対は、互いに逆位相で面外方向に屈曲振動する。
【００８９】
なお、Ｈ字形状の基板１０１を用いた本発明の実施例２に係る圧電素子１００においては、上述した２つの屈曲振動、すなわち第１のアーム対および第２のアーム対が互いに逆位相である面内方向の屈曲振動、および第１のアーム対および第２のアーム対が互いに逆位相である面外方向の屈曲振動は、Ｈ字形状の前記基板１０１の連結部１１８に、前記屈曲振動のノード点を有するので、前記ノード点付近の前記連結部１１８で、前記圧電素子１００を支持、および固定することができる。
【００９０】
図５は、本発明の実施例２に係る圧電素子の上面図および回路結線図である。図５は、図１および図４で示した圧電素子に対し、駆動振動モードを励振するための駆動回路と、検出振動モードを検出するための検出回路を接続したときの回路構成を示している。
【００９１】
初めに、本発明の実施例２に係る圧電素子１００の駆動振動モードを励振するための駆動回路について説明する。前記駆動回路は、少なくとも発振回路１２１、第３の電流検出回路１２６、および反転回路１２８から構成される。
【００９２】
図５に示すように、駆動用の上部電極、すなわち、第３の上部電極１０４、第４の上部電極１０５、および第７の上部電極１０８の各々は、前記発振回路１２１と接続されている。また、下部電極（図示せず）は、基準電位回路１２２に接続され、電源電圧の半分程度の電位に固定されている。前記発振回路１２１によって生成された、前記面外方向の屈曲振動の共振周波数に略一致する周波数であって、かつ正位相の交流電圧、すなわち駆動信号が、前記第３の上部電極１０４、前記第４の上部電極１０５、および前記第７の上部電極１０８の各々と前記下部電極の間に印加される。
【００９３】
さらに、駆動用の上部電極、すなわち、第１の上部電極１０２、第６の上部電極１０７、および第９の上部電極１１０の各々は、前記反転回路１２８と接続されている。前記反転回路１２８は、前記発振回路１２１と接続されており、前記発振回路１２１から出力される電気信号の位相を反転させた駆動信号を出力する。よって、前記第３の上部電極１０４、前記第４の上部電極１０５、および前記第７の上部電極１０８の各々には、正位相の駆動信号が印加され、前記第１の上部電極１０２、前記第６の上部電極１０７、および前記第９の上部電極１１０の各々には、逆位相の駆動信号が印加される。
【００９４】
なお、第１０の上部電極１１１および第１２の上部電極１１３は、前記第３の電流検出回路１２６と接続され、前記面内方向の屈曲振動を検出する。すなわち前記圧電素子１００に対して駆動振動モードを励振したとき、第４のアーム１１７の電気−機械変換手段により出力される電気信号が、前記第３の電流検出回路１２６を経由し、前記発振回路１２１に入力するよう閉回路を構成して、前記圧電素子１００が前記面内方向の屈曲振動の共振周波数で自励発振するようにしたものである。
【００９５】
前記圧電素子１００に対して駆動振動モードを励振した状態で、Ｈ字形状の前記基板１０１の長手方向の中心軸、すなわちＹ軸を回転軸として回転して、前記圧電素子１００に角速度を加えると、コリオリ力の作用により、前記圧電素子１００に前記面外方向の屈曲振動、すなわち第１のアーム対および第２のアーム対が互いに逆位相である面外方向の屈曲振動が発生する。このとき、前記面外方向の屈曲振動は、駆動振動モードを励振して生じた、前記面内方向の屈曲振動と同じ周波数であり、前記圧電素子１００に加えた前記角速度、および前記面内方向の屈曲振動の振動速度に比例する。前記面内方向の屈曲振動の振動速度が一定の条件下において、前記面外方向の屈曲振動の振幅の大きさを検出できれば、前記圧電素子１００に加えた前記角速度を検出することができる。
【００９６】
次に、本発明の実施例２に係る圧電素子１００の検出振動モードを検出するための検出回路について説明する。前記検出回路は、少なくとも第１の電流検出回路１２４、および同期検波回路１２３で構成される。
【００９７】
図５に示すように、検出用の４つの上部電極、すなわち、第２の上部電極１０３、第５の上部電極１０６、第８の上部電極１０９、および第１１の上部電極１１２は、前記第１の電流検出回路１２４と接続されている。
【００９８】
上述したように、駆動振動モードを励振した状態にある前記圧電素子１００のＹ軸を中心軸として、前記圧電素子１００を回転させて角速度を加えると、コリオリ力の作用により、圧電薄膜に歪が生まれ、前記面外方向の屈曲振動が起こる。そして、このときの前記圧電薄膜の圧電効果により、上部電極の各々と下部電極の間に起電力が生じる。
【００９９】
この場合、前記第１の電流検出回路１２４が検出する、前記第２の上部電極１０３、前記第５の上部電極１０６、前記第８の上部電極１０９、および前記第１１の上部電極１１２を含む、電気−機械変換手段の各々から出力される電気信号は、すべて同位相である。したがって、特別な信号処理を行なう必要はなく、前記電気信号は、すべてまとめて前記第１の電流検出回路１２４に入力される。
【０１００】
さらに、前記第１の電流検出回路１２４で検出された電気信号は、前記第１の電流検出回路１２４と接続された同期検波回路１２３へ入力される。同時に、前記同期検波回路１２３に対して、前記発振回路１２１から参照信号が与えられる。そして、前記電気信号から、自励発振の周波数成分のみを抽出し、さらにこれを、検出される前記角速度の周波数帯域を考慮したカットオフ周波数のローパスフィルタ（図示せず）で整流することによって、前記同期検波回路１２３から、前記角速度に比例する電圧を出力することができる。
【０１０１】
このように本発明の実施例２に係る圧電素子１００を、図５に示す駆動回路および検出回路と接続し、前記駆動回路によって駆動振動モードを励振して、予め、前記面内方向の共振周波数で屈曲振動させることができる。そして、前記圧電素子１００の長手方向の軸、すなわちＹ軸を中心として、前記圧電素子１００を回転させたときに生じるコリオリ力の作用による歪は、前記面外方向の屈曲振動を新たに引き起こす。このときの前記面外方向の屈曲振動の振幅の大きさは、電気−機械変換手段により電気信号に変換される。すなわち前記検出回路によって検出振動モードを検出することができる。
【０１０２】
したがって、前記圧電素子１００に対して加えた角速度は、このとき検出した前記同期検波回路１２３から得られる直流電圧の変化として知ることができる。つまり前記圧電素子１００は、角速度センサの検出素子として機能する。
【０１０３】
ただしこの場合、前記駆動回路から印加される駆動信号は、駆動用の上部電極の各々から、隣接する検出用の上部電極の各々と容量結合して漏れてしまう。しかし、第３の上部電極１０４から第２の上部電極１０３へ漏れる漏れ信号と、第１の上部電極１０２から第２の上部電極１０３へ漏れる漏れ信号は、互いに逆位相で同振幅である。また、第４の上部電極１０５から第５の上部電極１０６へ漏れる漏れ信号と、第６の上部電極１０７から第５の上部電極１０６へ漏れる漏れ信号は、互いに逆位相で同振幅である。また同様に、第７の上部電極１０８から第８の上部電極１０９へ漏れる漏れ信号と、第９の上部電極１１０から第８の上部電極１０９へ漏れる漏れ信号は、互いに逆位相で同振幅である。したがって、漏れ信号の各々は、検出用の上部電極の各々の内部で相殺される。よって、角速度センサのＳＮ比を低下させる原因となる漏れ信号は、第１の電流検出回路１２４および同期検波回路１２３へ入力されない。
【０１０４】
（実施例３）
次に、本発明の実施例３に係る圧電素子について、図６ないし図８を用いて詳説する。図６は、本発明の実施例３に係る圧電素子の斜視図である。また図７は、本発明の実施例３に係る圧電素子の断面図である。ただし、図７（ａ）は、図６に示す圧電素子のＣ−Ｃ'断面を示し、図７（ｂ）は、図６に示す圧電素子のＤ−Ｄ'の断面を示す。
【０１０５】
図６および図７に示すように、本発明の圧電素子２００は、厚さ１００μｍのシリコンの基板２０１の一面上に、下部電極２２０を形成し、その上面に、厚さ２μｍのＰＺＴの圧電薄膜２１９を形成し、さらにその上面に、短冊状の上部電極を形成して、直方体の形状に切り出し加工した音片である。前記下部電極２２０は、シリコンの基板２０１の表面を酸化処理して形成した厚さ１μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ３５ｎｍのチタン膜と、さらにその上面に、スパッタ法で形成した厚さ２００ｎｍの白金膜とで構成される。前記短冊状の上部電極は、圧電薄膜２１９の上面に、スパッタ法で形成した厚さ３５ｎｍのクロム膜と、その上面に、スパッタ法で形成した厚さ３００ｎｍの金の膜とで構成される。
【０１０６】
そして本発明の圧電素子２００は、前記直方体の基板２０１の一面上に、前記下部電極２２０と、前記直方体の長手方向に延在し、離間して並置した、短冊状の第１３の上部電極２０２、第１４の上部電極２０３、第１５の上部電極２０４、および第１６の上部電極２０５からなる４つの上部電極と、前記第１３の上部電極２０２と前記下部電極２２０との間にある第１３の分極部、前記第１４の上部電極２０３と前記下部電極２２０の間にある第１４の分極部、前記第１５の上部電極２０４と前記下部電極２２０の間にある第１５の分極部、および前記第１６の上部電極２０５と前記下部電極２２０の間にある第１６の分極部からなる４つの分極部とから構成される、４つの電気−機械変換手段を備えている。ただし、４つの短冊状の上部電極のうちの第１３の上部電極２０２および第１６の上部電極２０５は、前記一面上の両側部に配置し、第１４の上部電極２０３、第１５の上部電極２０４は、前記両側部に配置した第１３の上部電極２０２と第１６の上部電極２０５の間にあって、前記長手方向に直列して配置している。
【０１０７】
そして、図７に示すように、前記電気−機械変換手段を構成する圧電薄膜２１９は、前記圧電薄膜２１９の成膜面に対し垂直な方向、すなわちＺ軸方向であって、矢印で示す向きに分極処理が施こされている。
【０１０８】
すなわち、前記第１５の分極部のみ、その圧電薄膜２１９がＺ軸方向の正の向きに分極された分極部であり、これら以外の前記第１３の分極部、前記第１４の分極部、および前記第１６の分極部の３つの分極部は、各々の圧電薄膜２１９がＺ軸方向の負の向きに分極された分極部である。なお、これら分極部の分極処理は、上部電極の各々と下部電極２２０との間に直流電圧を印加することによって、予めなされている。
【０１０９】
このような構成とすることにより、第１５の上部電極２０４と下部電極２２０との間に正位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加し、第１４の上部電極２０３と下部電極２２０との間に逆位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加すると、圧電薄膜２１９の成膜面に対し垂直な方向であるＺ軸方向、すなわち面外方向に圧電素子２００を屈曲振動させることができる。この場合、直方体の音片の長手方向の一方の端部と前記音片の長手方向の他方の端部が互いに同位相で面外方向に屈曲振動し、前記音片の中央部が、前記音片の長手方向の一方の端部および前記音片の長手方向の他方の端部とは逆位相で面外方向に屈曲振動する。
【０１１０】
また、第１３の上部電極２０２と下部電極２２０との間に正位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加し、第１６の上部電極２０５と下部電極２２０との間に逆位相の交流電圧、すなわち駆動信号を印加すると、圧電薄膜２１９の成膜面に対し平行で、かつ圧電素子２００の長さ方向に垂直な方向であるＸ軸方向、すなわち面内方向に圧電素子２００を屈曲振動させることができる。この場合、直方体の音片の長手方向の一方の端部と前記音片の長手方向の他方の端部が互いに同位相で面内方向に屈曲振動し、前記音片の中央部が、前記音片の長手方向の一方の端部および前記音片の長手方向の他方の端部とは逆位相で面内方向に屈曲振動する。
【０１１１】
なお、直方体の基板２０１を用いた本発明の実施例３に係る圧電素子２００においては、上述した２つの屈曲振動、すなわち音片の両端部が互いに同位相で、前記音片の中央部が逆位相である面外方向の屈曲振動、および前記音片の両端部が互いに同位相で、前記音片の中央部が逆位相である面内方向の屈曲振動は、前記音片を長手方向に４等分した時の３つの分点のうち、前記音片の両端部側にある２つの分点の位置に、前記屈曲振動のノード点を有するので、前記ノード点付近で、前記圧電素子２００を支持、および固定することができる。
【０１１２】
図８は、本発明の実施例３に係る圧電素子の上面図および回路結線図である。図８は、図６および図７で示した圧電素子に対し、駆動振動モードを励振するための駆動回路と、検出振動モードを検出するための検出回路を接続したときの回路構成を示している。
【０１１３】
初めに、本発明の実施例３に係る圧電素子２００の駆動振動モードを励振するための駆動回路について説明する。前記駆動回路は、少なくとも発振回路２２１、第１の電流検出回路２２４、第２の電流検出回路２２５、加算回路２２９、および反転回路２２８から構成される。
【０１１４】
図８に示すように、駆動用の上部電極である、第１５の上部電極２０４は、前記発振回路２２１と接続されている。また、下部電極（図示せず）は、基準電位回路２２２に接続され、電源電圧の半分程度の電位に固定されている。前記発振回路２２１によって生成された、前記面外方向の屈曲振動の共振周波数に略一致する周波数であって、かつ正位相の交流電圧、すなわち駆動信号が、前記第１５の上部電極２０４と前記下部電極の間に印加される。
【０１１５】
さらに、駆動用の上部電極である、第１４の上部電極２０３は、前記反転回路２２８と接続されている。前記反転回路２２８は、前記発振回路２２１と接続されており、前記発振回路２２１から出力される電気信号の位相を反転させた駆動信号を出力する。よって、前記第１５の上部電極２０４には、正位相の駆動信号が印加され、前記第１４の上部電極２０３には、逆位相の駆動信号が印加される。
【０１１６】
なお、第１６の上部電極２０５は、前記第１の電流検出回路２２４と接続され、第１３の上部電極２０２は、前記第２の電流検出回路２２５と接続され、前記面外方向の屈曲振動および前記面内方向の屈曲振動を検出する。また、前記第１の電流検出回路２２４および前記第２の電流検出回路２２５は加算回路２２９と接続され、前記加算回路２２９は、前記発振回路２２１と接続されている。
【０１１７】
前記面外方向の屈曲振動に対して、前記第１の電流検出回路２２４および前記第２の電流検出回路２２５からは、互いに同位相で同振幅の電気信号が出力される。また前記面内方向の屈曲振動に対して、前記第１の電流検出回路２２４および前記第２の電流検出回路２２５からは、互いに逆位相で同振幅の電気信号が出力される。したがって、前記第１の電流検出回路２２４および前記第２の電流検出回路２２５からの出力を、前記加算回路２２９へ入力して加算処理することで、面外方向の屈曲振動を検出することができる。
【０１１８】
すなわち前記圧電素子２００に対して駆動振動モードを励振したとき、電気−機械変換手段により出力される電気信号の各々が、前記第１の電流検出回路２２４および第２の電流検出回路２２５を経由し、さらに前記加算回路２２９を経て、前記発振回路２２１に入力するよう閉回路を構成して、前記圧電素子２００が前記面外方向の屈曲振動の共振周波数で自励発振するようにしたものである。
【０１１９】
前記圧電素子２００に対して駆動振動モードを励振した状態で、直方体の前記基板２０１の長手方向の中心軸、すなわちＹ軸を回転軸として回転して、前記圧電素子２００に角速度を加えると、コリオリ力の作用により、前記圧電素子２００に前記面内方向の屈曲振動、すなわち前記音片の両端部が互いに同位相で、前記音片の中央部が逆位相である面内方向の屈曲振動が発生する。このとき、前記面内方向の屈曲振動は、駆動振動モードを励振して生じた、前記面外方向の屈曲振動と同じ周波数であり、前記圧電素子２００に加えた前記角速度、および前記面外方向の屈曲振動の振動速度に比例する。前記面外方向の屈曲振動の振動速度が一定の条件下において、前記面内方向の屈曲振動の振幅の大きさを検出できれば、前記圧電素子２００に加えた前記角速度を検出することができる。
【０１２０】
次に、本発明の実施例３に係る圧電素子２００の検出振動モードを検出するための検出回路について説明する。前記検出回路は、少なくとも第１の電流検出回路２２４、第２の電流検出回路２２５、減算回路２２７および同期検波回路２２３で構成される。
【０１２１】
図８に示すように、検出用の２つの上部電極である、第１３の上部電極２０２、および第１６の上部電極２０５の各々は、前記第２の電流検出回路２２５および前記第１の電流検出回路２２４と接続されている。
【０１２２】
上述したように、駆動振動モードを励振した状態にある前記圧電素子２００のＹ軸を中心軸として、前記圧電素子２００を回転させて角速度を加えると、コリオリ力の作用により、圧電薄膜に歪が生まれ、前記面内方向の屈曲振動が起こる。そして、このときの前記圧電薄膜の圧電効果により、上部電極の各々と下部電極の間に起電力が生じる。
【０１２３】
この場合、前記第１の電流検出回路２２４が検出する、前記第１６の上部電極２０５を含む電気−機械変換手段から出力される電気信号と、前記第２の電流検出回路２２５が検出する、前記第１３の上部電極２０２を含む電気−機械変換手段から出力される電気信号とは、互いに逆位相である。
【０１２４】
そして、互いに逆位相である、前記第１の電流検出回路２２４が検出する電気信号と前記第２の電流検出回路２２５が検出する電気信号は、前記第１の電流検出回路２２４および前記第２の電流検出回路２２５の各々と接続された減算回路２２７に入力され、減算処理される。
【０１２５】
さらに、前記減算回路２２７で減算処理された電気信号は、前記減算回路２２７と接続された同期検波回路２２３へ入力される。同時に、前記同期検波回路２２３に対して、前記発振回路２２１から参照信号が与えられる。そして、前記電気信号から、自励発振の周波数成分のみを抽出し、さらにこれを、検出される前記角速度の周波数帯域を考慮したカットオフ周波数のローパスフィルタ（図示せず）で整流することによって、前記同期検波回路２２３から、前記角速度に比例する電圧を出力することができる。
【０１２６】
このように本発明の実施例３に係る圧電素子２００を、図８に示す駆動回路および検出回路と接続し、前記駆動回路によって駆動振動モードを励振して、予め、前記面外方向の共振周波数で屈曲振動させることができる。そして、前記圧電素子２００の長手方向の軸、すなわちＹ軸を中心として、前記圧電素子２００を回転させたときに生じるコリオリ力の作用による歪は、前記面内方向の屈曲振動を新たに引き起こす。このときの前記面内方向の屈曲振動の振幅の大きさは、電気−機械変換手段により電気信号に変換される。すなわち前記検出回路によって検出振動モードを検出することができる。
【０１２７】
したがって、前記圧電素子２００に対して加えた角速度は、このとき検出した前記同期検波回路２２３から得られる直流電圧の変化として知ることができる。つまり前記圧電素子２００は、角速度センサの検出素子として機能する。
【０１２８】
ただしこの場合、前記駆動回路から印加される駆動信号は、駆動用の上部電極の各々から、隣接する検出用の上部電極の各々と容量結合して漏れてしまう。しかし、第１４の上部電極２０３から第１３の上部電極２０２へ漏れる漏れ信号と、第１５の上部電極２０４から第１３の上部電極２０２へ漏れる漏れ信号は、互いに逆位相で同振幅である。また、第１４の上部電極２０３から第１６の上部電極２０５へ漏れる漏れ信号と、第１５の上部電極２０４から第１６の上部電極２０５へ漏れる漏れ信号は、互いに逆位相で同振幅である。したがって、漏れ信号の各々は、検出用の上部電極の各々の内部で相殺される。よって、角速度センサのＳＮ比を低下させる原因となる漏れ信号は、第１の電流検出回路２２４、第２の電流検出回路２２５、および同期検波回路２２３へ入力されない。
【０１２９】
（実施例４）
次に、本発明の実施例４に係る圧電素子について、図６、図７および図９を用いて詳説する。図６は、本発明の実施例４に係る圧電素子の斜視図である。また図７は、本発明の実施例４に係る圧電素子の断面図である。ただし、図７（ａ）は、図６に示す圧電素子のＣ−Ｃ'断面を示し、図７（ｂ）は、図６に示す圧電素子のＤ−Ｄ'の断面を示す。
【０１３０】
本発明の圧電素子２００は、上述した本発明の実施例３に係る圧電素子２００と同様の、図６および図７に示す、直方体の基板２０１の一面上に、下部電極２２０、圧電薄膜２１９、および複数の短冊状の上部電極を形成した音片である。
【０１３１】
図７に示すように、本発明の実施例３に係る圧電素子２００と同様、前記電気−機械変換手段を構成する圧電薄膜２１９は、前記圧電薄膜２１９の成膜面に対し垂直な方向、すなわちＺ軸方向であって、矢印で示す向きに分極処理が施こされている。
【０１３２】
すなわち、第１５の分極部のみ、その圧電薄膜２１９がＺ軸方向の正の向きに分極された分極部であり、これら以外の第１３の分極部、第１４の分極部、および第１６の分極部の３つの分極部は、各々の圧電薄膜２１９がＺ軸方向の負の向きに分極された分極部である。なお、これら分極部の分極処理は、上部電極の各々と下部電極２２０との間に直流電圧を印加することによって、予めなされている。
【０１３３】
図９は、本発明の実施例４に係る圧電素子の上面図および回路結線図である。図９は、図６および図７で示した圧電素子に対し、駆動振動モードを励振するための駆動回路と、検出振動モードを検出するための検出回路を接続したときの回路構成を示している。
【０１３４】
初めに、本発明の実施例４に係る圧電素子２００の駆動振動モードを励振するための駆動回路について説明する。前記駆動回路は、少なくとも発振回路２２１、および第３の電流検出回路２２６から構成される。
【０１３５】
図９に示すように、駆動用の上部電極である、第１３の上部電極２０２は、前記発振回路２２１と接続されている。また、下部電極（図示せず）は、基準電位回路２２２に接続され、電源電圧の半分程度の電位に固定されている。前記発振回路２２１によって生成された、上述の実施例３で示したものと同様の、面内方向の屈曲振動の共振周波数に略一致する周波数であって、かつ正位相の交流電圧、すなわち駆動信号が、前記第１３の上部電極２０２と前記下部電極の間に印加される。
【０１３６】
なお、第１６の上部電極２０５は、前記第３の電流検出回路２２６と接続され、上述の実施例３で示したものと同様の、面内方向の屈曲振動を検出する。すなわち前記圧電素子２００に対して駆動振動モードを励振したとき、電気−機械変換手段により出力される電気信号が、前記第３の電流検出回路２２６を経由し、前記発振回路２２１に入力するよう閉回路を構成して、前記圧電素子２００が前記面内方向の屈曲振動の共振周波数で自励発振するようにしたものである。
【０１３７】
前記圧電素子２００に対して駆動振動モードを励振した状態で、直方体の前記基板２０１の長手方向の中心軸、すなわちＹ軸を回転軸として回転して、前記圧電素子２００に角速度を加えると、コリオリ力の作用により、前記圧電素子２００に前記面外方向の屈曲振動、すなわち前記音片の両端部が互いに同位相で、前記音片の中央部が逆位相である面外方向の屈曲振動が発生する。このとき、前記面外方向の屈曲振動は、駆動振動モードを励振して生じた、前記面内方向の屈曲振動と同じ周波数であり、前記圧電素子２００に加えた前記角速度、および前記面内方向の屈曲振動の振動速度に比例する。前記面内方向の屈曲振動の振動速度が一定の条件下において、前記面外方向の屈曲振動の振幅の大きさを検出できれば、前記圧電素子２００に加えた前記角速度を検出することができる。
【０１３８】
次に、本発明の実施例４に係る圧電素子２００の検出振動モードを検出するための検出回路について説明する。前記検出回路は、少なくとも第１の電流検出回路２２４、第２の電流検出回路２２５、減算回路２２７および同期検波回路２２３で構成される。
【０１３９】
図９に示すように、検出用の２つの上部電極である、第１４の上部電極２０３、および第１５の上部電極２０４の各々は、前記第１の電流検出回路２２４および前記第２の電流検出回路２２５と接続されている。
【０１４０】
上述したように、駆動振動モードを励振した状態にある前記圧電素子２００のＹ軸を中心軸として、前記圧電素子２００を回転させて角速度を加えると、コリオリ力の作用により、圧電薄膜に歪が生まれ、前記面内方向の屈曲振動が起こる。そして、このときの前記圧電薄膜の圧電効果により、上部電極の各々と下部電極の間に起電力が生じる。
【０１４１】
この場合、前記第１の電流検出回路２２４が検出する、前記第１４の上部電極２０３を含む電気−機械変換手段から出力される電気信号と、前記第２の電流検出回路２２５が検出する、前記第１５の上部電極２０４を含む電気−機械変換手段から出力される電気信号とは、互いに逆位相である。
【０１４２】
そして、互いに逆位相である、前記第１の電流検出回路２２４が検出する電気信号と前記第２の電流検出回路２２５が検出する電気信号は、前記第１の電流検出回路２２４および前記第２の電流検出回路２２５の各々と接続された減算回路２２７に入力され、減算処理される。
【０１４３】
さらに、前記減算回路２２７で減算処理された電気信号は、前記減算回路２２７と接続された同期検波回路２２３へ入力される。同時に、前記同期検波回路２２３に対して、前記発振回路２２１から参照信号が与えられる。そして、前記電気信号から、自励発振の周波数成分のみを抽出し、さらにこれを、検出される前記角速度の周波数帯域を考慮したカットオフ周波数のローパスフィルタ（図示せず）で整流することによって、前記同期検波回路２２３から、前記角速度に比例する電圧を出力することができる。
【０１４４】
このように本発明の実施例４に係る圧電素子２００を、図９に示す駆動回路および検出回路と接続し、前記駆動回路によって駆動振動モードを励振して、予め、前記面内方向の共振周波数で屈曲振動させることができる。そして、前記圧電素子２００の長手方向の軸、すなわちＹ軸を中心として、前記圧電素子２００を回転させたときに生じるコリオリ力の作用による歪は、前記面外方向の屈曲振動を新たに引き起こす。このときの前記面外方向の屈曲振動の振幅の大きさは、電気−機械変換手段により電気信号に変換される。すなわち前記検出回路によって検出振動モードを検出することができる。
【０１４５】
したがって、前記圧電素子２００に対して加えた角速度は、このとき検出した前記同期検波回路２２３から得られる直流電圧の変化として知ることができる。つまり前記圧電素子２００は、角速度センサの検出素子として機能する。
【０１４６】
ただしこの場合、前記駆動回路から印加される駆動信号は、駆動用の上部電極の各々から、隣接する検出用の上部電極の各々と容量結合して漏れてしまう。しかし、第１３の上部電極２０２から第１４の上部電極２０３へ漏れる漏れ信号と、第１３の上部電極２０２から第１５の上部電極２０４へ漏れる漏れ信号は、互いに同位相で同振幅である。したがって、これら全ての漏れ信号を上述した前記検出回路の前記減算回路２２７で減算処理することにより相殺することができる。よって、角速度センサのＳＮ比を低下させる原因となる漏れ信号は、同期検波回路２２３へ入力されない。
【０１４７】
なお、上述した本発明の実施例１ないし４に係る圧電素子において、Ｈ字形状を有した基板を用いたもの、あるいは直方体の形状を有した基板を用いた音片を例示したが、これに限らず、本発明の圧電素子の基板の形状は、例えば音叉形状（Ｕ字形状）等であってもよく、あるいはより複雑な形状を有した基板であっても構わない。また、駆動用および検出用の上部電極、およびその直下にある圧電薄膜を含む、電気−機械変換手段についても、その数量および配置は、例示したものに制限されない。
【０１４８】
本発明の圧電素子は、圧電薄膜上に設けた複数の上部電極毎に、分極部を形成するようにしたので、圧電薄膜を分極する際の余分な工程を排除して分極工程を簡素化することができる。また、電気−機械変換手段を構成する圧電薄膜の任意の分極部の分極の向きと、前記任意の分極部の分極以外の分極部の分極の向きが互いに逆向きとなるようにしたので、圧電素子の駆動振動モードを励振するための駆動回路、および／または検出振動モードを検出するための検出回路を平衡形に構成することができる。これにより、静電結合による駆動信号の検出信号へ漏れる漏れ信号を相殺することが可能となる。さらに、前記駆動回路および／または前記検出回路の構成を任意に組み合わせることよって、回路構成を簡素化することができる。すなわち、上述した構成とすることにより、設計の自由度が高く、量産性に優れた、低コストの圧電素子を提供することができる。
【０１４９】
以上、実施例を用いて、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、本実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明は、カメラの手振れ補正システム、ナビゲーションシステム、姿勢制御システム等に使用される角速度センサ、あるいは機器の振動衝撃検知、防犯システム等に使用される衝撃センサ等の検出素子に利用可能である。
【符号の説明】
【０１５１】
１００，２００    圧電素子
１０１，２０１    基板
１０２    第１の上部電極
１０３    第２の上部電極
１０４    第３の上部電極
１０５    第４の上部電極
１０６    第５の上部電極
１０７    第６の上部電極
１０８    第７の上部電極
１０９    第８の上部電極
１１０    第９の上部電極
１１１    第１０の上部電極
１１２    第１１の上部電極
１１３    第１２の上部電極
２０２    第１３の上部電極
２０３    第１４の上部電極
２０４    第１５の上部電極
２０５    第１６の上部電極
１１４    第１のアーム
１１５    第２のアーム
１１６    第３のアーム
１１７    第４のアーム
１１８    連結部
１１９，２１９    圧電薄膜
１２０，２２０    下部電極
１２１，２２１    発振回路
１２２，２２２    基準電位回路
１２３，２２３    同期検波回路
１２４，２２４    第１の電流検出回路
１２５，２２５    第２の電流検出回路
１２６，２２６    第３の電流検出回路
１２７，２２７    減算回路
１２８，２２８    反転回路
２２９    加算回路
３００    検出素子
３０１    第１アーム
３０２    第２アーム
３０３    支持部
３０４    固定用アーム
３０５    固定部
３０６    第３アーム
３０７    錘部
３０８    対向部
３０９    駆動電極部
３１０    検知電極部
３１１    第１感知電極部
３１２    第２感知電極部
３１３    上部電極
３１４    下部電極
３１５    圧電体
３１６ａ，３１６ｂ，３１７ａ，３１７ｂ    分極部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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