JPH0968433A - 圧電振動角速度計 - Google Patents

圧電振動角速度計

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JPH0968433A
JPH0968433A JP7222962A JP22296295A JPH0968433A JP H0968433 A JPH0968433 A JP H0968433A JP 7222962 A JP7222962 A JP 7222962A JP 22296295 A JP22296295 A JP 22296295A JP H0968433 A JPH0968433 A JP H0968433A
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vibrator
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thin film
velocity meter
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JP7222962A
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Inventor
Kenichi Muramatsu
研一 村松
Hisamitsu Fujio
尚光 藤生
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電振動角速度計の電極構造を簡単にし、角
速度の検出能力を大きくする。 【解決手段】 シリコン基板上に下部電極4、PZT圧
電薄膜5及び上部電極6が積層されてなる振動子1をシ
リコン基体2で支持し、基体2に窒化珪素膜3及び駆動
用電極9を介して励振子としてのセラミックスチップ8
を固定し、セラミックスチップ8の両面に形成された駆
動用電極9,10に電界を印加して振動子1をV方向に
振動させ、振動子1に回転角速度Ωが加わったときのコ
リオリ力Fcを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動角速度
計、特に小型で安価に量産できる圧電振動角速度計に関
する。
【0002】
【従来の技術】正、逆の圧電効果を利用して角速度を測
定する圧電振動角速度計としては、従来からGEタイプ
とワトソンタイプの2種類が主流となっていた。GEタ
イプの圧電振動角速度計は、図13に示すように、金属
で角棒状に形成された振動子51の隣接する2面に、そ
れぞれ駆動用圧電セラミックス板52と検出用圧電セラ
ミックス板53とを接着して構成されている。
【0003】上記の構成において、駆動用圧電セラミッ
クス板52に通電して振動子51を振動させ、振動子5
1のZ軸を中心とする回転にともなって生ずるコリオリ
力を検出用圧電セラミックス板52で検出する。このと
き使われる振動のモードは無拘束の横振動であり、通常
振動の節点で振動子51を基体に固定する。
【0004】ワトソンタイプの圧電振動角速度計は、図
14に示すように、4枚の圧電セラミックバイモルフを
2枚ずつ互いに直交するように重ねて音叉形状としたも
のである。そして、図中下部の2枚の平行に配置され下
端が連結されたバイモルフ61,62を駆動用バイモル
フとし、バイモルフ61,62の上部にそれぞれ直交し
て配置された2枚のバイモルフ63,64を検出用バイ
モルフとしている。
【0005】上記の構成において、駆動用バイモルフ6
1,62に通電して音叉形状の素子65の全体を振動さ
せ、素子65のZ軸を中心とする回転にともなって生ず
るコリオリ力を検出用バイモルフ63,64で検出す
る。このように構成された素子65は、角度センサや手
振れセンサなどとして実用化されている。
【0006】しかしながら、上記のように構成された従
来の圧電振動角速度計は、振動子51や素子65の構成
や固定の方法が複雑であり、セラミックス板52,53
やバイモルフ61乃至64の接着、通電、及び検知用の
リード線の取付などの複雑な工程が必要であった。この
結果、小型化、低コスト化を行うことが困難であるとい
う問題があった。
【0007】これらの問題を解決するため、本出願人
は、特願平5−301668号により、薄膜を利用した
圧電振動角速度計を提案している。この提案は、シリコ
ン加工プロセスで作製する振動子及びその基体となるシ
リコン基板上に、シリコン加工プロセスと整合する方法
で圧電あるいは電歪材料からなる薄膜を形成したもの
で、薄膜の持つ逆圧電効果により振動子を励振させると
共に、素子の回転によって発生するコリオリ力を同じ薄
膜の圧電効果により検知するものである。この振動子は
非常に小型でしかも安価に量産できるという特徴を持
つ。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この圧
電あるいは電歪材料からなる薄膜を利用した圧電振動角
速度計は、振動子の励振とコリオリ力による誘起電荷の
検出を共に薄膜で行うため、電極の構成が複雑になる。
また、振動子の振幅が小さいために、発生するコリオリ
力も小さく、素子の検出能力が小さい等の問題点があっ
た。
【0009】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、検出能力が大きく、電極構造が簡単な圧電振動
角速度計を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
は、シリコン基板上に下部電極、圧電薄膜及び上部電極
が積層されてなる振動子と、前記振動子の一端を支持す
るシリコン基板とを備え、前記圧電薄膜の正逆の圧電効
果により前記振動子を振動させ、前記振動子が回転した
ときに生じるコリオリ力により回転角速度を検出する圧
電振動角速度計において、前記基体に対して圧電あるい
は電歪材料からなる励振子を接合し、前記圧電薄膜と前
記励振子の圧電効果を利用して前記振動子を振動させる
ようにしたことを特徴とする。
【0011】請求項1に記載の圧電振動角速度計は、振
動子の一端を支持するシリコン基体に圧電あるいは電歪
材料からなる励振子を接合したので、励振子に振動子の
固有振動数に近い周波数の電界を印加することにより、
圧電効果により振動子に振動が誘起される。この振動の
大きさは薄膜で励振する場合に比べて大きいので、振動
子の回転によって発生するコリオリ力も大きくなり、回
転角速度の検出能力を大きくすることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電振動角速度計
の実施例を図面を参照して説明する。
【0013】図1及び図2に本発明の第1の実施例の構
成を示す。図1において、シリコンで片持ち梁型に形成
された振動子1の一端は、同じシリコンで直方体状に形
成された基体2に固定されている。一体に固定された振
動子1及び基体2の上面には、窒化珪素膜3が形成され
ており、窒化珪素膜3の上には白金下部電極4、チタン
酸ジルコニウム酸鉛(PZT)圧電薄膜5及び白金上部
電極6が順次積層されている。また、基体2の振動子1
に対して反対側の側面には窒化珪素膜7が形成されてい
る。
【0014】基体2の側面に平行に配置され、PZT圧
電体で板状に形成された励振子としてのセラミックスチ
ップ8の両面には駆動用電極9,10が形成されてお
り、基体2は、窒化珪素膜7及び駆動用電極9を介して
セラミックスチップ8の上端に固定されている。さら
に、セラミックスチップ8の下端は、駆動用電極9を介
して支持体11に固定されている。この際に、固定はエ
ポキシ系接着剤を用いて行い、さらにその上からネジ止
めが施されている。
【0015】図2に、振動子1に形成された白金下部電
極4の構成を示す。図2は、白金下部電極4の面で切断
した振動子1を上方から見た図である。下部電極4は、
平行に配置された1対の検出用電極4a,4bに分割さ
れている。上部電極6は、分割された1対の電極4a,
4bのグランドとして用いられる。
【0016】次に、本実施例の作用を説明する。一般
に、振動子に、その振動子が固有振動する共振周波数付
近の振動を与えると、振動子は与えられた振動方向に大
きく振動する。そこで、前記の圧電効果をもつ励振子を
接合し、シリコン振動子の共振周波数付近の周波数の交
流電界を印加し、振動を与えると、振動子が圧電あるい
は電歪材料からなる薄膜の膜厚方向、すなわち、薄膜の
法線方向にシリコン振動子の固有振動で励起される。こ
の段階で振動子の軸方向の周りに回転が起こると、この
軸と振動方向の両方向に垂直な方向にコリオリ力が発生
する。
【0017】この力は、接合した励振子の電界駆動によ
って起こる振動と垂直方向に励振子を変形させる。これ
により振動子に成膜された圧電あるいは電歪材料からな
る薄膜に圧電正効果による誘起電荷が生ずる。
【0018】この誘起電荷を検出することにより、次に
示す式(1)から回転角速度を見積もることができる。 Fc=2m[v・Ω] ・・・(1) ここで、Fcはコリオリ力、mは振動子の質量、vは振
動子の振動速度、Ωは回転角速度である。
【0019】上式から、振動子の励振を大きくすること
によって、素子の検出能力を大きくすることが可能であ
ることがわかる。そこで、シリコン振動子の振動の振幅
を大きくするためには、印加する交流電界に対して大き
な変形を示す、圧電あるいは電歪材料からなる励振子を
用いれば良い。
【0020】本実施例では、振動子1の励振のために、
圧電あるいは電歪材料からなるセラミックスチップ8を
振動子1にバルク接合し、コリオリ力を効率よく検出す
るために、振動子1に圧電あるいは電歪材料からなるP
ZT圧電薄膜5を形成した。これにより、圧電あるいは
電歪材料の圧電効果を最大限に利用することが可能とな
った。
【0021】振動子を振動させる手段として、薄膜では
なくバルクの圧電あるいは電歪材料を外づけの接合した
励振子とすることで、振動の大きさを稼ぐことができ
る。つまり、同じ大きさの回転角速度が加わった場合に
おいても、薄膜で励振する場合に比べて、より大きなコ
リオリ力が発生する。このため薄膜の圧電正効果による
誘起電荷も大きくなり、角速度量の検出能力が向上する
ことになる。また、これによりシリコン振動子上の薄膜
から励振用の電極を取り除くことができるため、電極構
造も簡略化することが可能になる。
【0022】コリオリ力の検出においては、検出部と振
動子の励振を個別に分けたことにより、振動子の構成、
リード線の取付等の煩雑な工程が削除できた。
【0023】振動子は、高性能かつ小型で安価に量産で
きるシリコン加工プロセスで作製し、その基体となるシ
リコン基板上に、シリコン加工プロセスと整合する方法
で、圧電あるいは電歪材料からなる薄膜を形成した。成
膜は、例えば、スパッタリング、真空蒸着、EB蒸着、
MOCVD等の真空薄膜形成技術により行う。
【0024】また、振動子はシリコン振動子上の薄膜の
法線方向に励振された振動において、振動子が軸方向の
周りで回転したときに生じるコリオリの力を薄膜の圧電
正効果によって検知する。このため、振動子の振動は電
極面に垂直な方向に起こるが、振動子の軸方向の周りで
回転したときに生じるコリオリ力より、振動子内に屈曲
が生じる。そこで、下部電極を2分割することにより振
動子の薄膜面内での屈曲を検出する。
【0025】分割してある2つの下部電極に発生する信
号は、同じ周波数で、コリオリ力に起因する信号は2つ
の電極間で位相が反対となり、駆動に起因する信号は同
位相であるので、両者の差動信号を取れば、ほぼコリオ
リ力に起因する信号のみを得ることができる。また、振
動子を片持ち梁構造にすると、振動の固定が容易で、リ
ード線も振動しない固定部分に付けられるため、より理
想的な振動状態を達成し易い。
【0026】振動子の形状は、フォトリソグラフィー及
び異方性ケミカルエッチングに代表されるシリコン加工
プロセスであり、基本的に2次元の加工プロセスである
ため、特に安価とするためには、2次元的に加工できる
振動子の形状とすることが望ましい。このためには、圧
電あるいは電歪材料からなる薄膜、さらにはこの薄膜か
ら圧電効果を取り出すための電極がシリコン基板面に平
行に形成されることが望ましい。
【0027】また、この圧電効果を取り出すための電極
の最も単純で作製しやすい構成は、薄膜の両面に電極を
形成する構成である。圧電あるいは電歪材料は、薄膜ま
たは/および励振子として、効率良く正、逆の圧電効果
が利用できる鉛系強誘電体材料を利用することが望まし
い。
【0028】鉛系強誘電体材料をシリコン上に成膜する
場合には、鉛系強誘電対材料とシリコンが成膜の過程で
反応するために、相互の原子拡散を抑制するためのバッ
ファ層を設ける必要がある。したがって、鉛系強誘電体
材料を圧縮材料として用いる場合は、電極以外にもう一
層形成する必要があった。この点に関して、白金は優れ
た材料であり、バッファ層の役割を果たすと同時に、電
極としても機能する。さらに、チタンあるいはタンタル
と白金を複合することで、白金とシリコン基板の密着性
を向上させることができる。
【0029】次に、図1,2を参照して本実施例の具体
的な作用を説明する。振動子のPZTのセラミックスチ
ップ8の駆動用電極9,10に、振動子1の片持ち梁の
固有振動数に近い周波数の電界を印加すると、セラミッ
クスチップ8のd31方向の圧電効果により、図中Vで示
した方向に片持ち梁振動が励起される。振動子1が速度
VでVの方向に移動しているとき、片持ち梁の軸方向の
周りに回転角速度Ωが加わると、先に示した式(1)に
従いコリオリ力Fcが振動子に働く。この力は、振動の
方向と垂直方向に振動子をたわませる。図2に示すFc
の方向に力が加わった場合、検出用電極4aの側には圧
縮応力が、検出用電極4bの側には引張り応力が作用す
る。検出用電極4aとグランドの間で検出される電圧を
va、検出用電極4bとグランドの間で検出される電圧
をvbとすると、va,vb共にコリオリ力に伴う信号に
加えて片持ち梁振動に起因する信号が合成された形で検
出される。コリオリ力による信号はvaとvbとで符号が
異なるため、両者の差va−vbを取れば、片持ち梁振動
に起因する信号が相殺され、コリオリ力による信号のみ
を読み取ることができる。
【0030】本実施例によれば、励振子としてのセラミ
ックスチップ8により振動子1を振動させるようにした
ので、薄膜で励振させる場合に比べて大きなコリオリ力
を得ることができ、回転角速度の検出能力を向上するこ
とができる。また、振動子1上の薄膜から励振用の電極
を取り除くことができ、電極構造を簡略化することが可
能である。
【0031】図3乃至図12に本発明の他の実施例の構
成を示す。これらの図において、図1及び図2に示す第
1の実施例の部分と対応する部分には同一の符号を付し
てあり、その説明は適宜省略する。
【0032】図3に本発明の第2の実施例の構成を示
す。本実施例は、励振子としてのセラミックスチップd
33方向の圧電効果を利用した例である。図3において、
振動子1及び基体2の構成は、第1の実施例と同様であ
る。基体2の図中下面は、セラミックスチップ8に窒化
珪素膜7及び駆動用電極9を介して固定されており、さ
らにセラミックスチップ8の図中下面は、駆動用電極1
0を介して支持体11に固定されている。
【0033】本実施例によっても、第1の実施例と同様
の作用及び効果を得ることができる。
【0034】図4及び図5に本発明の第3の実施例の構
成を示す。図4及び図5において、振動子1及び基体2
の構成は、第1の実施例と同様である。基体2の図中下
面は、振動子1の軸方向に平行に配置されたセラミック
スチップ8の一端に窒化珪素膜7及び駆動用電極9を介
して固定されており、さらにセラミックスチップ8の他
端は、基体2に平行に配置された支持体11の図中下面
に、駆動用電極9を介して支持体11に固定されてい
る。
【0035】セラミックスチップ8の駆動用電極9,1
0に、振動子1の片持ち梁の固有振動数に近い周波数の
電界を印加すると、セラミックスチップ8のd31方向の
圧電効果を利用し、図中Vで示した振動子1の軸方向に
片持ち梁振動が励起される。振動子1が速度VでVの方
向に移動しているとき、振動子1のPZT薄膜5の法線
方向の周りに回転角速度Ωが加わると、先に示した式
(1)に従いコリオリ力Fcが振動子1に働く。この力
は、振動の方向と直角方向に振動子をたわませ、第1の
実施例の場合と同様に、コリオリ力Fcを読み取ること
ができる。
【0036】本実施例によっても、第1の実施例と同様
の効果が得られる。
【0037】図6に本発明の第4の実施例の構成を示
す。本実施例は、第3の実施例のセラミックスチップ8
のd33方向の圧電効果を利用した例である。図6におい
て、基体2の振動子1の軸方向に対して直角方向の側面
は、窒化珪素膜7及び駆動用電極9を介してセラミック
スチップ8の一方の面に固定されており、さらにセラミ
ックスチップ8の他方の面は、駆動用電極10を介して
支持体11に固定されている。
【0038】本実施例によっても、第3の実施例と同様
の作用及び効果を得ることができる。
【0039】図7及び図8に本発明の第5の実施例の構
成を示す。図7及び図8において、振動子1及び基体2
の構成は、第1の実施例とほぼ同様であるが、白金下部
電極4の構造のみ異なる。基体2の図中下面は、振動子
1の軸方向に対して直角方向に配置されたセラミックス
チップ8の一端に窒化珪素膜7及び駆動用電極9を介し
て固定されており、さらにセラミックスチップ8の他端
は、駆動用電極9を介して支持体11に固定されてい
る。また、下部電極4は、図8に示すように、分割され
ていない。
【0040】セラミックスチップ8の駆動用電極9,1
0に、振動子1の片持ち梁の固有振動数に近い周波数の
電界を印加すると、図7,8のVで示す振動子1の軸方
向及びPZT薄膜5の法線方向の両方に垂直な方向に片
持ち梁振動が励起される。振動子1が速度VでVの方向
に移動しているとき、片持ち梁の軸方向の周りに回転角
速度Ωが加わると、先に示した式(1)に従いコリオリ
力Fcが振動子1に働く。この力は、振動の方向に対し
垂直の方向に振動子1をたわませる。
【0041】図7,8に示すFc方向に力が加わった場
合、検出用の下部電極4に引張り応力が作用する。下部
電極4とグランドとしての上部電極との間で検出される
電圧Vは、コリオリ力に伴う信号のみで、片持ち梁振動
に起因する信号は検出されず、1枚の電極でコリオリ力
による信号のみを読み取ることができる。励振は、図7
に示したように、振動子1と同じd31方向の圧電逆効果
を利用する。
【0042】本実施例によっても、第1の実施例と同様
の効果が得られる。
【0043】図9に本発明の第6の実施例の構成を示
す。本実施例は、第5の実施例のセラミックスチップ8
のd33方向の圧電効果を利用した例である。図9におい
て、基体2の振動子1の軸方向に対して平行方向の側面
は、窒化珪素膜7及び駆動用電極9を介してセラミック
スチップ8の一方の面に固定されており、さらにセラミ
ックスチップ8の他方の面は、駆動用電極10を介して
支持体11に固定されている。下部電極4の構造は、図
8に示す第5の実施例のものと同様である。
【0044】本実施例によっても、第5の実施例と同様
の作用及び効果を得ることができる。
【0045】図10及び図11に本発明の第7の実施例
の構成を示す。図10及び図11において、振動子1及
び基体2の構成は、第1の実施例とほぼ同様であり、白
金下部電極4の構成は、第5,6の実施例と同様であ
る。基体2の図中下面は、振動子1の軸方向に対して平
行方向に配置されたセラミックスチップ8の一端に、窒
化珪素膜7及び駆動用電極9を介して固定されており、
さらにセラミックスチップ8の他端は、駆動用電極9を
介して支持体11に固定されている。
【0046】セラミックスチップ8の駆動用電極9,1
0に、振動子1の片持ち梁の固有振動数に近い周波数の
電界を印加すると、セラミックスチップ8のd31方向、
すなわち図10,11中のVで示した振動子1の軸方向
に振動が励起される。振動子1が速度VでVの方向に移
動しているとき、振動子1の軸方向と振動子1上のPZ
T圧電薄膜5の法線方向の両方に垂直な方向の周りに回
転角速度Ωが加わると、先に示した式(1)に従いコリ
オリ力Fcが振動子1に働く。この力は、振動の方向に
対し垂直方向に振動子1をたわませ、第5の実施例の場
合と同様に、コリオリ力による信号のみを読み取ること
ができる。
【0047】本実施例によっても、第1の実施例と同様
の効果が得られる。
【0048】図12に本発明の第8の実施例の構成を示
す。本実施例は、第7の実施例のセラミックスチップ8
のd33方向の圧電効果を利用した例である。図12にお
いて、基体2の振動子1の軸方向に対して直角方向の側
面は、窒化珪素膜7及び駆動用電極9を介してセラミッ
クスチップ8の一方の面に固定されており、さらにセラ
ミックスチップ8の他方の面は、駆動用電極10を介し
て支持体11に固定されている。下部電極4の構造は、
図11に示す第7の実施例のものと同様である。
【0049】本実施例によっても、第7の実施例と同様
の作用及び効果を得ることができる。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電振動
角速度計によれば、振動子を支持する基体に対し圧電あ
るいは電歪材料からなる励振子を接合し、励振子の圧電
効果を利用して振動子を振動させるようにしたので、簡
単な構造の電極を用い、回転角速度の検出能力を大きく
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電振動角速度計の第1の実施例の構
成を示す斜視図である。
【図2】図1の下部電極の構成を示す横断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例の構成を示す斜視図であ
る。
【図4】本発明の第3の実施例の構成を示す斜視図であ
る。
【図5】図4の下部電極の構成を示す横断面図である。
【図6】本発明の第4の実施例の構成を示す斜視図であ
る。
【図7】本発明の第5の実施例の構成を示す斜視図であ
る。
【図8】図7の下部電極の構成を示す横断面図である。
【図9】本発明の第6の実施例の構成を示す斜視図であ
る。
【図10】本発明の第7の実施例の構成を示す斜視図で
ある。
【図11】図10の下部電極の構成を示す横断面図であ
る。
【図12】本発明の第8の実施例の構成を示す斜視図で
ある。
【図13】従来のGEタイプの圧電振動角速度計の一例
の構成を示す概念図である。
【図14】従来のワトソンタイプの圧電振動角速度計の
一例の構成を示す概念図である。
【符号の説明】
1 振動子 2 基体 4 下部電極 5 圧電薄膜 6 上部電極 8 セラミックスチップ(励振子)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板上に下部電極、圧電薄膜及
    び上部電極が積層されてなる振動子と、 前記振動子の一端を支持するシリコン基板とを備え、 前記圧電薄膜の正逆の圧電効果により前記振動子を振動
    させ、前記振動子が回転したときに生じるコリオリ力に
    より回転角速度を検出する圧電振動角速度計において、 前記基体に対して圧電あるいは電歪材料からなる励振子
    を接合し、前記圧電薄膜と前記励振子の圧電効果を利用
    して前記振動子を振動させるようにしたことを特徴とす
    る圧電振動角速度計。
  2. 【請求項2】 前記励振子の逆圧電効果により前記振動
    子上の圧電薄膜の法線方向の振動を起こし、前記振動子
    が軸方向の周りで回転したときに発生するコリオリ力を
    前記圧電薄膜の圧電効果により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計。
  3. 【請求項3】 前記励振子の逆圧電効果により前記振動
    子を軸方向に振動させ、前記振動子が前記圧電薄膜の法
    線方向の周りで回転したときに発生するコリオリ力を前
    記圧電薄膜の圧電効果により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計。
  4. 【請求項4】 前記励振子の逆圧電効果により前記振動
    子を軸方向及び前記圧電薄膜の法線方向の両方に垂直な
    方向に振動させ、前記振動子が軸方向の周りで回転した
    ときに発生するコリオリ力を前記圧電薄膜の圧電効果に
    より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計。
  5. 【請求項5】 前記励振子の逆圧電効果により前記振動
    子を軸方向に振動させ、前記振動子が軸方向及び前記圧
    電薄膜の法線方向の両方に垂直な方向の周りで回転した
    ときに発生するコリオリ力を前記圧電薄膜の圧電効果に
    より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計。
  6. 【請求項6】 前記圧電薄膜を成膜する圧電または電歪
    材料が鉛系強誘電体からなることを特徴とする請求項1
    に記載の圧電振動角速度計。
  7. 【請求項7】 前記励振子を構成する圧電または電歪材
    料が鉛系強誘電体からなることを特徴とする請求項1に
    記載の圧電振動角速度計。
  8. 【請求項8】 前記電極が白金、あるいは白金とチタン
    またはタンタルとの積層、さらにはこれらの合金で形成
    されることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動角速
    度計。
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