JP2005189166A - 音叉形圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】 耐熱性に優れ、簡素な構成でありながら、感度劣化の少ない、小型化に適した、量産性に優れる音叉形圧電振動ジャイロを提供する
【解決手段】 振動子形状として、比較的支持が容易で共振周波数を低く設計できる音叉形状を選び、振動子材料には、比較的キュリー点が高く、結合係数の大きいＬｉＴａＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶を選択する。さらに、振動子の結晶方位は、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板、または、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板とすることで、振動子の幅方向の電界による圧電横効果を大きくし、電極を振動子の１側面だけで構成できるようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主として自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープで、特に圧電振動ジャイロに関するものである。

ジャイロスコープは、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コリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。振動ジャイロでは、電気的な信号を印加することで機械的な振動（駆動モード）を励起させることができ、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動（検出モード）の大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出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、前述のコリオリ力の作用により、検出モードの振動が発生し、出力電圧として検出される。検出された出力電圧は、駆動モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。振動ジャイロの中でも、電気的信号と機械的振動の変換を圧電効果で行うものを圧電振動ジャイロと呼ぶ。

現在、圧電振動ジャイロに用いられる振動子としては、振動子本体が圧電体からなる構造のものが生産性及び精度に優れるためよく利用されている。同時に、これまで更なる生産性向上や高精度化を目的とし、様々な振動子の構造が提案されてきた。特に、小形・安価を目的とする場合、振動子の構造は、よりシンプルであった方が生産性上好ましい場合が多く、こうした観点から提案された構造も少なくない。また、近年、圧電振動ジャイロの小型化が進むにつれ、圧電振動ジャイロのシステムへの取りつけ方法においても手半田付け実装から生産性に優れるリフロー半田実装に見直されるようになり、リフロー実装時における２６０℃程度の全体加熱に対し性能や信頼性が損なわれることが無いよう、圧電振動ジャイロの耐熱性の向上が必要になってきた。従って、小形・安価な圧電振動ジャイロに用いる振動子としては、構造がより簡素で、耐熱性に優れたものが必要とされる。

簡素な振動子構造としては、既に本出願人によって提案されている特許文献１がある。図６は、その圧電振動ジャイロの振動子の説明図であり、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は断面図である。圧電セラミクスからなる柱状体５０の一側面に、駆動電極５２と検出電極５１および５３を備え、断面図に示す矢印方向に分極処理することで、断面図で縦の方向への駆動振動の励振と横方向への検出振動の検出を可能とし、圧電振動ジャイロとしての機能を満たすものである。一側面に全ての電極が備えられていることから、複数の側面に電極が備えられているものと比較して生産性に優れる。

同様に、簡素な振動子構造としては、振動子および電極構成が図６とほぼ同じであるが、あらかじめ電極面と平行に分極処理されたことを特徴とする特許文献２がある。図１３に、その振動子構成を示した。圧電セラミクスからなる柱状体３０１の一側面に、駆動電極３０３と検出電極３０２および３０４を備え、電極面と平行にあらかじめ分極処理することで、駆動振動の励振と駆動振動に直交する検出振動の検出を可能としている。製造時に板状の圧電セラミクスに対して分極処理、電極形成を行った後に、所定の振動子形状に切断することで量産を行うことができ、生産性に優れる。

また、簡素な音叉形振動子構造としては、既に本出願人によって提案されている特許文献３がある。図１２は、その圧電振動ジャイロの振動子構造を示す斜視図である。ＰＺＴ等の圧電セラミクス２００からなる音叉型の圧電振動子２０７の一側面に、帯状電極２０１、２０２、２０３、２０４、２０５，２０６およびランド２０８が形成されている。振動子の分極処理は、帯状電極２０２および２０５と帯状電極２０１、２０３、２０４および２０６を２端子として直流の高電圧を印加して行う。帯状電極２０２と２０４には、互いに逆位相の駆動電圧を印加し、面外振動モードを励振する。帯状電極２０１、２０６、２０３、２０４は、電流検出回路に接続され、コリオリ力によって生じる音叉振動モードの検出を、帯状電極２０１および２０６と２０３および２０４の信号差を用いて行う。一側面に全ての電極が備えられていることから、複数の側面に電極が備えられているものと比較して生産性に優れる。さらに、特許文献１および２に比べ、対称な構成により振動漏れが少なく、安定化が実現できる。

また、耐熱性に優れた構成としては、振動子に単結晶を用いた特許文献４がある。図７は、その音叉形圧電振動ジャイロの構成を示す図である。アーム２０とアーム２２がベース２４に接続された音叉形状の振動子であり、ＬｉＴｉＯ₃圧電単結晶のＸ軸４０°回転Ｚ板または、ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶のＸ軸５０°回転Ｚ板で形成されている。２つのアームの内側には、駆動電極４８ａ、ｂが配置され、音叉振動モードを励振し、２つのアームの外側には、検出電極４６ａ〜ｃおよび４７ａ〜ｃが配置され、音叉振動モードと直交する面外振動モードを検出する。一般に圧電単結晶材料のキュリー点は、圧電セラミクスに比べ非常に高く、２６０℃程度の全体加熱に対して振動子特性は劣化し難い。また、対称な電極構成により振動漏れが少なく、高安定化が実現できる。さらに、ＬｉＴｉＯ₃やＬｉＮｂＯ₃の材料特性により高感度化が実現できる。

特許第３１２２９２５号公報 特開平１１−８３４９５号公報 特開平９−１２６７８３号公報 特開２００３−１５６３３８号公報

しかしながら、特許文献１および２の構成では、圧電セラミクスのキュリー点の低さから、リフロー実装時における２６０℃程度の全体加熱に対し性能や信頼性が損なわれる可能性がある。さらに、柱状の振動子では、同一の長さの音叉に比べ、屈曲振動モードの共振周波数が高くなる。共振周波数の高周波数化は、ジャイロの感度を劣化させる要因となる。また、柱状の振動子の材料をキュリー点の高い単結晶とした場合は、耐熱性の点において改善が見込めるが、一般に単結晶のＱ値は、数万と非常に高く、理想的なノード点の存在しない柱状の振動子では、支持点から振動が漏れ、高いＱ値を維持できない。仮に、高いＱ値を維持できる支持構造を構成することができたとしても、支持ワイヤ等の複雑で大きな支持構造が必要となり、振動子を小型化しても実質的に小型化できない。

また、特許文献３の構成では、上記特許文献と同様に圧電セラミクスのキュリー点の低さから、リフロー実装時における２６０℃程度の全体加熱に対し性能や信頼性が損なわれる可能性がある。さらに、帯状電極間で分極処理が必要となるため、振動子を小型化することによって電極間隔も狭くなり、分極処理で高電圧を印加した際に放電等の不良を発生し、歩留まりを低下させる可能性が高い。

また、特許文献４の構成では、少なくとも電極を２つ以上の側面に施す必要があるため、その点においては、先行文献１、２および３に示した構成と比較し生産性で劣る。より安価な製品を供給するためには、より簡素な構成の提案が必要である。

そこで、本発明は、上記問題を解決し、耐熱性に優れ、簡素な構成でありながら、感度劣化の少ない、小型化に適した、量産性に優れる音叉形圧電振動ジャイロの提供を目的としている。

上記目的を達成するため、振動子形状は、比較的支持が容易で共振周波数を低く設計できる音叉形状を選び、振動子材料には、比較的キュリー点が高く、結合係数の大きい圧電単結晶を選んだ。圧電単結晶としては、ＬｉＴａＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶が望ましい。さらに、振動子の結晶方位は、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板、または、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板とすることで、振動子の幅方向の電界による圧電横効果を大きくし、電極を振動子の一側面だけで構成できるようにした。

即ち、第１の発明は、第１および第２のアームと前記アームを接続したベースが圧電単結晶にて一体的に形成され、前記第１および第２のアームに駆動および検出用の電極が施された音叉形振動子を用いる音叉形圧電振動ジャイロであって、前記第１のアームには、第１のアームの主面に、前記アームの主面と垂直な前記音叉形振動子の対称面近傍から順に、第１、第２および第３の帯状電極が前記アームの長手方向と平行に形成され、前記第２のアームには、第１のアームの主面と同一側の第２のアームの主面に、前記対称面近傍から順に、第１、第２および第３の帯状電極、もしくは第１のアームの主面と反対側の第２のアームの主面に、前記対称面近傍から順に、第３、第２および第１の帯状電極の少なくともどちらか一方側が前記アームの長手方向と平行に形成され、前記主面と平行でかつ、前記アームの長手方向と垂直な方向の電界による圧電横効果により、前記音叉形振動子の音叉振動および前記音叉振動と直交した面外振動を励振および検出することを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。本発明によれば振動子の幅方向の電界による圧電横効果を利用することで、音叉振動と面外振動を励振および検出することができ、両アーム共に一側面のみの電極構成が可能となる。

第２の発明は、第１の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記圧電単結晶からなる前記音叉形振動子は、その主面と平行な方向に前記圧電単結晶の分極軸を向けたことを特徴とした音叉形圧電振動ジャイロである。本発明によれば、振動子の主面と平行な方向に結晶の分極軸を向けることで、振動子の幅方向の電界による圧電横効果を効率良く利用することができ、一側面のみの電極構成で、音叉振動と面外振動を効率良く励振および検出することが可能となる。

第３の発明は、第１の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記第１のアームの主面と対向する他方の主面にも、前記アームの主面と垂直な前記音叉形振動子の対称面近傍から順に、各々第３、第２および第１の帯状電極を前記アームの長手方向と平行に形成したことを特徴とした音叉形圧電振動ジャイロである。本発明によれば、振動子の表裏の２面を利用することで、第１の発明に比べ生産性は劣るが、駆動と検出の効率はそれぞれ２倍となり、高感度化することが可能となる。

第４の発明は、第１の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記音叉形振動子は、ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶で形成され、前記音叉形振動子の主面は、前記ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶のＸカット面であり、且つ、前記音叉形振動子の長手方向は、前記ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０±２０°回転した軸と平行であることを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。本発明によれば、材料のＱｍが高く、振動子の幅方向に電界に対して圧電横効果の大きいＬｉＴａＯ₃圧電単結晶の結晶方位を利用することで、高効率に音叉振動モード、面外振動モードの励振、検出が可能である。さらに、キュリー点が高いため、リフロー実装時における２６０℃程度の全体加熱に対し性能や信頼性が劣化し難い。

第５の発明は、第１の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記音叉形振動子は、ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶で形成され、前記音叉形振動子の主面は、前記ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶のＸカット面であり、且つ、前記音叉形振動子の長手方向は、前記ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０±２０°回転した軸と平行であることを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。本発明によれば、第４の発明と同様に、材料のＱｍが高く、振動子の幅方向に電界に対して圧電横効果の大きいＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶の結晶方位を利用することで、高効率に音叉振動モード、面外振動モードの励振、検出が可能である。さらに、キュリー点が高いため、リフロー実装時における２６０℃程度の全体加熱に対し性能や信頼性が劣化し難い。

第６の発明は、第１乃至第５の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記第１のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第３の帯状電極を検出電極、前記第２のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第３の帯状電極を検出電極として用い、前記第１のアームの駆動電極と前記第２のアームの駆動電極には、振幅および周波数が同じで、互いに逆位相の駆動信号を印加し、前記２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、前記２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地されたことを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。

また、第７の発明は、第１乃至第５の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記第１のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第１の帯状電極を検出電極、前記第２のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第１の帯状電極を検出電極として用い、前記第１のアームの駆動電極と前記第２のアームの駆動電極には、振幅および周波数が同じで、互いに逆位相の駆動信号を印加し、前記２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、前記２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地されたことを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。

これらの発明によれば。音叉振動モードと面外振動モードの検出には、それぞれアームに配置された３本の帯状電極のうち、両端に配置された電極の間の信号差を利用して行う。音叉振動モードの駆動には、３本の帯状電極のうち、中央の電極を用いて行う。このように、片側主面のみの電極により、振動ジャイロを構成可能であるので、組立が容易であり、生産性が高い。

第８の発明は、第１乃至第５の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記第１のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を検出電極、前記第３の帯状電極を駆動電極、前記第２のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を検出電極、前記第３の帯状電極を駆動電極として用いることを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。

第９の発明は、第１乃至第５の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記第１のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を検出電極、前記第１の帯状電極を駆動電極、前記第２のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を検出電極、前記第１の帯状電極を駆動電極として用いることを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。

これらの発明は、第６、第７の発明の駆動振動モードと検出振動モードを入れ替えた構成である。本発明によれば、第６、第７の発明に比べ駆動用の反転増幅器、検出用の電荷または電流検出回路が不要なため、回路構成がより簡素化できる。

第１０の発明は、第１乃至第５の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記第１のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第３の帯状電極を検出電極、前記第２のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極をモニタ電極、前記第３の帯状電極を検出電極として用い、前記モニタ電極の信号により駆動モードの自励発振を安定化し、前記２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、前記２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地されたことを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。

第１１の発明は、第１乃至第５の発明の音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記第１のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第１の帯状電極を検出電極、前記第２のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極をモニタ電極、前記第１の帯状電極を検出電極として用い、前記モニタ電極の信号により駆動モードの自励発振を安定化し、前記２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、前記２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地されたことを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロである。

これらの発明は、第６、第７の発明の２つの駆動電極のうち、１つを音叉振動モードのモニタ電極として用いている構成である。本発明によれば、第６、第７の発明に比べ音叉振動モードの励振効率は劣るが、モニタ電極の出力を自励発振回路にフィードバックすることで、音叉振動モードの温度特性等の変化要因を安定化することが可能である。

本発明によれば、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板、または、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板等の圧電単結晶およびその結晶方位を用いることで、振動子の表裏面のうちの一面のみの電極配置でも十分な感度を得られる圧電振動ジャイロを構成できる。さらに、振動子に高いキュリー点を持つ材料を採用することで、リフロー実装等によりジャイロ本体が２６０℃程度の高温にさらされても性能劣化が圧電セラミクスより少ない。すなわち、本発明の効果は、電極形成や組みたて時の入出力配線等が容易で生産性の高い、小形化に適した、安価で耐熱性に優れる音叉形圧電振動ジャイロを提供できることである。

以下に、本発明による音叉形圧電振動ジャイロの実施の形態を、詳細に説明する。

まず、本発明の音叉形圧電振動ジャイロの基本的な動作原理について説明する。図１は、本発明の音叉形圧電振動ジャイロで使用する振動モードを示している。図１（ａ）に音叉振動モードを示し、図１（ｂ）に面外振動モードを示す。図１のような音叉形の圧電体に、音叉振動モードおよび面外振動モードに結合した電極を配置し、励振および検出可能な音叉形圧電振動子を構成する。音叉振動モードの共振周波数に近い周波数の駆動信号を電極に印加し、音叉振動モードを励振する。その状態で、振動子の長さ方向の軸に角速度を印加すると、振動子には、角速度に比例したコリオリ力が働き、面外振動モードを生じる。この面外振動モードによって生じる電気信号を電極から取り出せば、角速度に比例した電気信号が得られ、圧電振動ジャイロとして機能させることができる。この場合には、駆動モードに音叉振動モード、検出モードに面外振動モードを利用しているが、これらを入れ替えて、駆動モードに面外振動モード、検出モードに音叉振動モードを利用することも可能である。

本発明では、振動子形状として、比較的支持が容易で共振周波数を低く設計できる音叉形状を選択し、振動子材料には、圧電単結晶を選択する。圧電単結晶で、ベース及び第１のアームと第２のアームを一体成形し、各アームの一方の主面に、それぞれ３本の帯状電極をアームの長手方向と平行に形成する。これらの各３本の帯状電極は、上記の音叉振動モード、面外振動モードと結合するため、振動ジャイロを構成できる。両アームとも同一側の主面に帯状電極を設ける方が、製造、組立、配線で有利である。また、各アームには他方の主面にさらに３本の帯状電極をアームの長手方向と平行に形成しても良い。アームの両方の主面に電極を設ける事により、生産性は劣るが、駆動と検出の効率は、それぞれ２倍となり、高感度化することが可能となる。

これらの帯状電極に関し、一方の音叉形振動子の主面に着目し、この主面に垂直な音叉形振動子の対称面近傍から順に、着目した主面と同一側のアームの主面にある３つの帯状電極を第１の帯状電極、第２の帯状電極および第３の帯状電極、また、着目した主面と反対側のアームの主面にある３つの帯状電極を前記対称面近傍から順に第３の帯状電極、第２の帯状電極および第１の帯状電極と称することにする。これは、音叉振動モード、面外振動モードに関しては、一本のアームの断面の対角線上に有る帯状電極が同じ結合を示し、第１と第２のアームでは、前記対称面に対し、面対称の位置に有る帯状電極が同じ結合を示すので、このように定義する。

振動子材料には、キュリー点が高く、結合係数の大きい圧電単結晶を用いる。圧電単結晶としては、ＬｉＴａＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃の圧電単結晶が推奨される。この音叉形振動子は、その主面と平行な方向に圧電単結晶の分極軸を向けて形成する。このように分極することで、振動子の幅方向の電界による圧電横効果を効率良く利用することができる。

さらに、振動子の結晶方位は、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板、または、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板とすることで、振動子の幅方向の電界による圧電横効果を大きくし、電極を振動子の一側面だけで構成できるようにする。なお、両方共に回転角は±２０°の範囲内であれば、圧電横効果の低下は少ない。

表１は、ＦＥＭ解析による容量比γの最小値の推定を示している。

ここでは、ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶を例に、図１０に示した音叉形振動子を従来のＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶のＸ軸５０°回転Ｚ板の場合と、それを振動子の長手方向の軸に関して９０°回転させたＸ板の場合（振動子の長手方向は結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行）とで比較したものである。この解析モデルの寸法は、全長が１３ｍｍ、厚さが１ｍｍ、ベース１の幅が３ｍｍ、ベース１、アーム２および３の長さが６．５ｍｍ、アーム１および２の幅が１ｍｍ、音叉振動モードおよび面外振動モードの共振周波数が約２０ｋＨｚである。図１１に、これらの結晶軸を示した。なお、容量比γは、圧電振動子の電気−機械変換効率をあらわす指標であり、小さいほど効率が良いことを示す。

アーム２，３やベース１の表面全体の四側面に電極を配置した場合は、ほとんど差はないが、振動子の表裏の一側面だけに電極を配置した解析結果では、結果が大きく異なる。表１の結果から明らかなように、Ｚ板では、面外モードの効率が大幅に落ちているが、それに対してＸ板は、音叉振動モードの効率が若干劣るものの、面外振動モードの効率の低下は小さく、駆動と検出効率のバランスの良い構成を実現できることが分かる。

従来、屈曲モードを利用した圧電振動ジャイロには、ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶のＸ軸４０°回転Ｚ板、または、ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶のＸ軸５０°回転Ｚ板が用いられてきたが、振動子の一側面だけを利用した簡素な構成の圧電振動ジャイロには、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板、または、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板が有利である。

面外振動モードの検出には、それぞれアームに配置された３本の帯状電極のうち、両端に配置された電極の間の信号差を利用して行う。音叉振動モードの駆動には、３本の帯状電極のうち、中央の電極を用いて行う。第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第３の帯状電極を検出電極として用い、第１のアームの駆動電極と第２のアームの駆動電極には、振幅および周波数が同じで、互いに逆位相の駆動信号を印加する。２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地する。

第２のアームに配置された第２の帯状電極をモニタ電極とし、モニタ電極の信号をにより自励発振回路にフィードバックして、駆動モードの自励発振を安定化してもよい。こうすると音叉振動モードの励振効率は劣るが、音叉振動モードの温度特性等の変化要因を安定化することが可能となる。

また、駆動振動モードと検出振動モードを入れ替え、面外振動モードの駆動には、それぞれアームに配置された３本の帯状電極のうち、両端に配置された電極を利用し、音叉振動モードの検出には、３本の帯状電極のうち、中央の電極を用いて行う。第１の帯状電極を基準電位電極、第２の帯状電極を検出電極、第３の帯状電極を駆動電極として、もしくは、第１の帯状電極を駆動電極、第３の帯状電極を基準電位電極として構成する。

図２、図３および図４を用いて本発明の一実施例を説明する。図２は、本発明の音叉形振動子の斜視図を示したものである。平行で左右対称に配置された２本のアーム２，３とそれらを接続したベース１の圧電体を形成している。アーム２には、アーム２の長手方向と平行に駆動電極６とその左右に検出電極１０と基準電位電極９を配置している。同様に、アーム３には、アーム３の長手方向と平行に駆動電極５とその左右に検出電極７と基準電位電極８を配置している。圧電体は、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴｉＯ₃圧電単結晶Ｘ板、または、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板を使用しており、振動子の幅方向の電界に対して、圧電横効果が大きい。したがって、振動子の幅方向に電界を印加することで、振動子の長手方向に歪を生じさせ、アームを屈曲させることができる。

図３は、本発明の一実施例における音叉形振動子の断面図を示したものである。駆動電極６と検出電極１０および基準電位電極９の間に駆動電圧を印加することで図３（ａ）のような電界が発生する。その結果、駆動電極６の左右では、逆向きの電界となるため、一方では長さ方向に伸び、もう一方では長さ方向に縮むこととなる。したがって、音叉振動モードを駆動電極６により励振することができる。また、同様に、駆動電極５と検出電極７および基準電位電極８の間に駆動電極６に加えた電圧と逆位相の電圧を印加することで、音叉振動モードを２倍の効率で励振することができる。

次に、アームの長手方向の軸に角速度を加えると、図３（ｂ）のようにコリオリ力よる面外振動モードが生じる。この振動は、振動子の主面と垂直方向に左右のアームが逆向きに振動する。この振動の検出には、検出電極１０と基準電位電極９および検出電極７と基準電位電極８の間の信号差として検出することができる。なお、図に示した通り、面外振動モードによって生じる検出電極７と検出電極１０の信号は、同振幅、同位相である。

上記の説明では、駆動モードに音叉振動モード、検出モードに面外振動モードを利用して、圧電振動ジャイロを構成する場合について説明したが、駆動モードと検出モードを入れ替えた場合にも同様に使用することができる。

図４は、本発明の一実施例における音叉形圧電振動ジャイロの回路構成を示すブロック図である。自励発振回路１０２から出力される信号を駆動電極６に印加し、同時に自励発振回路１０２から出力される信号を移相回路１００によって位相を反転した信号を駆動電極５に印加し、音叉振動モードを励振する。

検出電極７および１０には、オペアンプ１１と抵抗器１３およびオペアンプ１２と抵抗器１４で構成させる電流検出回路が接続されている。これにより、検出電極の電位は、オペアンプの仮想接地によって基準電位に固定される。その結果、検出電極７および１０は、面外振動モードの検出と同時に、駆動電界を印加するための基準電位を作ることができる。

２つの電流検出回路の出力は、加算回路１０１と自励発振回路１０２に入力される。加算回路１０１に入力される２つの信号の音叉振動モード成分は互いに逆位相であり、面外振動モード成分は同位相である。したがって、加算回路１０１から同期検波回路１０３に入力される信号は、角速度に比例したコリオリ力によって生じる面外振動モード成分のみとなり、ローパスフィルタ１０４から出力される直流電圧は、角速度に比例した電圧となる。また、自励発振回路１０２から出力された信号は、駆動電極６と移相回路１００に帰還されると同時に、同期検波回路１０３の参照信号として利用される。

すなわち、本発明による音叉形圧電振動ジャイロは、一側面のみの簡素な電極構成でありながら圧電振動ジャイロとしての機能を実現できる。

図５は、本発明の他の実施例における音叉形圧電振動ジャイロの回路構成を示すブロック図である。この実施例は、図４の実施例の駆動モードと検出モードを入れ替えたものである。自励発振回路１０２から出力される信号を駆動電極５と６に印加し、面外振動モードを励振する。

検出電極７，１０の出力は、差動回路１０５と自励発振回路１０２に入力される。差動回路１０５に入力される２つの信号の音叉振動モード成分は互いに逆位相であり、面外振動モード成分は同位相である。したがって、差動回路１０５から同期検波回路１０３に入力される信号は、角速度に比例したコリオリ力によって生じる音叉振動モード成分のみとなり、ローパスフィルタ１０４から出力される直流電圧は、角速度に比例した電圧となり、圧電振動ジャイロとして機能する。また、自励発振回路１０２から出力された信号は、駆動電極７，１０に帰還されると同時に、同期検波回路１０３の参照信号として利用される。

図８は、本発明の他の実施例における音叉形圧電振動ジャイロの回路構成を示すブロック図である。この実施例は、図４の実施例の駆動電極の一方をモニタ電極４として利用したものである。自励発振回路１０２から出力される信号を駆動電極６に印加し、音叉振動モードを励振する。

検出電極７および１０には、オペアンプ１１と抵抗器１３およびオペアンプ１２と抵抗器１４で構成させる電流検出回路が接続されている。これにより、検出電極の電位は、オペアンプの仮想接地によって基準電位に固定される。その結果、検出電極７，１０は、面外振動モードの検出と同時に、駆動電界を印加するための基準電位を作ることができる。

２つの電流検出回路の出力は、加算回路１０１と自励発振回路１０２に入力される。加算回路１０１に入力される２つの信号の音叉振動モード成分は互いに逆位相であり、面外振動モード成分は同位相である。したがって、加算回路１０１から同期検波回路１０３に入力される信号は、角速度に比例したコリオリ力によって生じる面外振動モード成分のみとなり、ローパスフィルタ１０４から出力される直流電圧は、角速度に比例した電圧となり、圧電振動ジャイロとして機能する。

また、自励発振回路１０２から出力された信号は、駆動電極６と移相回路１００に帰還されると同時に、同期検波回路１０３の参照信号として利用される。さらに、モニタ電極４の出力信号は、自励発振回路１０２に入力される。このため、音叉振動モードの励振効率は低下するが、駆動モードに使用している音叉振動モードの変化を自励発振回路にフィードバックすることができる。したがって、温度等により音叉振動モードのＱｍ等の振動子特性が変化しても、その変化を打ち消すようなフィードバック回路を構成することが可能となり、ジャイロ出力の安定化を図ることができる。

図９は、本発明の他の実施例における音叉形圧電振動ジャイロの回路構成を示すブロック図である。この実施例は、図４の実施例の電極を表裏両面に配置した構成である。駆動電極５，６は、振動子の厚み方向に対向するように配置され、検出電極７，１０および基準電位電極８，９は、アームの断面の対角線上に配置されている。

自励発振回路１０２から出力される信号を駆動電極６に印加し、同時に自励発振回路１０２から出力される信号を移相回路１００によって位相を反転した信号を駆動電極５に印加し、音叉振動モードを励振する。検出電極７および１０には、オペアンプ１１と抵抗器１３およびオペアンプ１２と抵抗器１４で構成させる電流検出回路が接続されている。これにより、検出電極の電位は、オペアンプの仮想接地によって基準電位に固定される。その結果、検出電極７，１０は、面外振動モードの検出と同時に、駆動電界を印加するための基準電位を作ることができる。

２つの電流検出回路の出力は、加算回路１０１と自励発振回路１０２に入力される。加算回路１０１に入力される２つの信号の音叉振動モード成分は互いに逆位相であり、面外振動モード成分は同位相である。したがって、加算回路１０１から同期検波回路１０３に入力される信号は、角速度に比例したコリオリ力によって生じる面外振動モード成分のみとなり、ローパスフィルタ１０４から出力される直流電圧は、角速度に比例した電圧となる。

また、自励発振回路１０２から出力された信号は、駆動電極６と移相回路１００に帰還されると同時に、同期検波回路１０３の参照信号として利用される。この場合、図４の構成に比べ、駆動効率が２倍、検出効率も２倍となるため、感度は４倍となる。若干、生産性において劣るが、表裏２面だけの比較的簡素な構成で高感度化を図ることができる。

上記のように、音叉形振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴｉＯ₃圧電単結晶Ｘ板、または、振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板等の圧電単結晶およびその結晶方位を用いることで、音叉形振動子の表裏面のうちの一面のみの電極配置でも十分な感度を得られる圧電振動ジャイロを構成できる。さらに、振動子に高いキュリー点を持つ材料を採用することで、リフロー実装等によりジャイロ本体が２６０℃程度の高温にさらされても性能劣化が圧電セラミクスより少ない。したがって、電極形成や組立て時の入出力配線等が容易で生産性の高い、小形化に適した、安価で耐熱性に優れる音叉形圧電振動ジャイロを提供できる。

本発明における音叉形圧電振動ジャイロの振動モードを示す斜視図。図１（ａ）は音叉振動モードを示す図、図１（ｂ）は面外振動モードを示す図。 本発明における音叉形圧電振動ジャイロの振動子構成を示す斜視図。 本発明の音叉形圧電振動ジャイロの実施例１における振動子の駆動および検出方法を説明するための断面図。図３（ａ）は音叉振動の説明図、図３（ｂ）は面外振動の説明図。 本発明の音叉形圧電振動ジャイロにおける実施例１を示すブロック図。 本発明の音叉形圧電振動ジャイロにおける実施例２を示すブロック図。 従来の問題点を説明するための振動子の説明図。図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は断面図。 従来の問題点を説明するための振動子の説明図。図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図、図７（ｃ）は平面図。 本発明の音叉形圧電振動ジャイロにおける実施例３を示すブロック図。 本発明の音叉形圧電振動ジャイロにおける実施例４を示すブロック図。 表１のＦＥＭ解析結果を説明するためのモデル図。 表１のＦＥＭ解析結果を説明するためのモデルの結晶軸を示す図。図１１（ａ）は正面図、図１１（ｂ）は側面図。 従来の問題点を説明するための振動子斜視図。 従来の問題点を説明するための振動子斜視図。

符号の説明

１ ベース
２，３ アーム
４ モニタ電極
５，６ 駆動電極
７，１０ 検出電極
８，９ 基準電位電極
１１，１２ オペアンプ
１３，１４ 抵抗器
１００ 移相回路
１０１ 加算回路
１０２ 自励発振回路
１０３ 同期検波回路
１０４ ローパスフィルタ
１０５ 差動回路

Claims (11)

1. 第１および第２のアームと前記アームを接続したベースが圧電単結晶にて一体的に形成され、前記第１および第２のアームに駆動および検出用の電極が施された音叉形振動子を用いる音叉形圧電振動ジャイロであって、前記第１のアームには、第１のアームの主面に、前記アームの主面と垂直な前記音叉形振動子の対称面近傍から順に、第１、第２および第３の帯状電極が前記アームの長手方向と平行に形成され、前記第２のアームには、第１のアームの主面と同一側の第２のアームの主面に、前記対称面近傍から順に、第１、第２および第３の帯状電極、もしくは第１のアームの主面と反対側の第２のアームの主面に、前記対称面近傍から順に、第３、第２および第１の帯状電極の少なくともどちらか一方が前記アームの長手方向と平行に形成され、前記主面と平行でかつ、前記アームの長手方向と垂直な方向の電界による圧電横効果により、前記音叉形振動子の音叉振動および前記音叉振動と直交した面外振動を励振および検出することを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロ。
2. 前記圧電単結晶からなる前記音叉形振動子は、その主面と平行な方向に前記圧電単結晶の分極軸を向けたことを特徴とする請求項１記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
3. 前記第１のアームの主面と対向する他方の主面にも、前記アームの主面と垂直な前記音叉形振動子の対称面近傍から順に、各々第３、第２および第１の帯状電極が前記アームの長手方向と平行に形成されたことを特徴とする請求項１記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
4. 前記音叉形振動子は、ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶で形成され、前記音叉形振動子の主面は、前記ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶のＸカット面であり、且つ、前記音叉形振動子の長手方向は、前記ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０±２０°回転した軸と平行であることを特徴とする請求項１記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
5. 前記音叉形振動子は、ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶で形成され、前記音叉形振動子の主面は、前記ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶のＸカット面であり、且つ、前記音叉形振動子の長手方向は、前記ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０±２０°回転した軸と平行であることを特徴とする請求項１記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
6. 前記第１のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第３の帯状電極を検出電極、前記第２のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第３の帯状電極を検出電極として用い、前記第１のアームの駆動電極と前記第２のアームの駆動電極には、振幅および周波数が同じで、互いに逆位相の駆動信号を印加し、前記２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、前記２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
7. 前記第１のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第１の帯状電極を検出電極、前記第２のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第１の帯状電極を検出電極として用い、前記第１のアームの駆動電極と前記第２のアームの駆動電極には、振幅および周波数が同じで、互いに逆位相の駆動信号を印加し、前記２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、前記２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
8. 前記第１のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を検出電極、前記第３の帯状電極を駆動電極、前記第２のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を検出電極、前記第３の帯状電極を駆動電極として用いることを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
9. 前記第１のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を検出電極、前記第１の帯状電極を駆動電極、前記第２のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を検出電極、前記第１の帯状電極を駆動電極として用いることを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
10. 前記第１のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第３の帯状電極を検出電極、前記第２のアームに配置された前記第１の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極をモニタ電極、前記第３の帯状電極を検出電極として用い、前記モニタ電極の信号により駆動モードの自励発振を安定化し、前記２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、前記２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の音叉形圧電振動ジャイロ。
11. 前記第１のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極を駆動電極、前記第１の帯状電極を検出電極、前記第２のアームに配置された前記第３の帯状電極を基準電位電極、前記第２の帯状電極をモニタ電極、前記第１の帯状電極を検出電極として用い、前記モニタ電極の信号により駆動モードの自励発振を安定化し、前記２つの検出電極には、電荷または電流検出回路を接続し、前記２つの検出電極の電位が基準電位に仮想接地されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の音叉形圧電振動ジャイロ。

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