JP2006322874A - 音叉形圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】 動作周波数の異なる複数の音叉形圧電振動ジャイロの製造工程において、量産工程を共通化するのが容易な量産性に優れた単純な構造で、干渉ノイズの影響を受けにくい音叉形圧電振動ジャイロを提供すること。
【解決手段】 圧電振動子に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、音叉形圧電振動子のアーム２，３の長さのみ可変して、動作周波数の異なる２つまたは３つの音叉形圧電振動子を組み合わせて２軸以上の角速度を検出できる音叉形圧電振動ジャイロを構成すること。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電振動ジャイロに関し、特に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に好適な音叉形圧電振動ジャイロに関する。

ジャイロスコープは、速度を持つ物体に角速度を与え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）を励起でき、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検出モードの振動がコリオリ力の作用により発生し、検出駆動振動と直交する方向の機械的な振動（検出モード）の大きさを出力電圧として電気的に検出できる。検出した出力電圧は、駆動モードの大きさ及び角速度に比例する。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。

この圧電振動ジャイロの応用例としてカメラ一体型ＶＴＲがある。２個の圧電振動子を互いに直交させて配置し、左右方向と上下方向の２軸の回転角速度を検出することで、手振れの大きさを検出し、画面のぶれを補正する。２個の圧電振動子を接近させて用いる場合には、互いの圧電振動子の励振振動が空気中または共通の基板等を通って相手に伝達する際に干渉が生じる。この干渉が、ノイズ源となり、圧電振動ジャイロの特性を劣化させるという問題点があった。

この問題の解決には、以下に示す方法が一般的に用いられる。
（１）２個の圧電振動子を互いに距離をおいて設置する。
（２）支持ベースにダンパー材を用いて、互いの励振振動が相手に伝達しにくい構造にする。
（３）２個の圧電振動子における共振周波数の差を２００Ｈｚ以上にすることで、圧電振動ジャイロの出力に含まれる手振れの周波数帯域（０.１Ｈｚ〜５０Ｈｚ）よりも干渉波の周波数が２００Ｈｚ以上高くし、干渉ノイズをローパスフィルタでカットすることで干渉ノイズレベルを低減する。

２個の圧電振動子の共振周波数に差を持たせる一般的な方法は、２個の圧電振動子を異なる形状にすることである。つまり、圧電振動ジャイロ用の２種類の異なる形状の圧電振動子が２軸の角速度の検出に必要になる。しかしながら、圧電振動子を所定の形状寸法に切断加工や研磨加工する工程、圧電振動子に電極形成する工程、圧電振動子の支持固定をする工程において、異なる形状の圧電振動子を用いて圧電振動ジャイロを製造する場合は、２種類の圧電振動子を同一条件の下で製造するのが困難で、それぞれ別々に製造する必要があった。また、それぞれの製造工程で２種類の別の治工具類が必要となった。つまり、圧電振動子の形状が変わると、振動モードのノード点が変化し、圧電振動子の支持構造も変わり、異なる生産部材や余計な製造工程が必要となり、量産的でないという問題点があった。

この問題点を解決するために本出願人により提案された量産性の高い圧電振動ジャイロが特許文献１に開示されている。図６は、特許文献１の音叉形圧電振動ジャイロの構造を示す斜視図および断面図である。ＰＺＴ等の圧電セラミックスからなる円柱状の音叉形圧電振動子４０１の側面に、音叉形圧電振動子４０１の長さ方向に沿って帯状電極４０２、４０３、４０４、４０５が配置されている。この構成では、音叉形圧電振動子４０１の材料の組成を変えることで、音叉形圧電振動子４０１の共振周波数の設計値を調整する。音速の異なる材料を音叉形圧電振動子４０１に使用し、同一構造の音叉形圧電振動子４０１を形成することで、共振周波数の異なる同一構造の音叉形圧電振動子４０１を構成できる。

特許文献１の構成では、同一構造の音叉形圧電振動子４０１を異なる材料で構成しているので、幾何学的な構造はまったく同じで、共振周波数を調整できる。その結果、同一の生産部材を用いて、同一の製造工程で、一括生産できるので、非常に量産性が高い音叉形圧電振動子になる。

特開平９−２９２２２９号公報

上述した特許文献１では、音叉形圧電振動子の共振周波数を調整するために音速の異なる圧電セラミックス材料を使用している。しかしながら、音速の異なる圧電セラミックスは、一般的に圧電特性も異なるので、音叉形圧電振動子の共振周波数が異なるだけでなく、音叉形圧電振動子の圧電特性が大きく変動するという問題点があった。また、異なる圧電単結晶材料を用いた同一構造（形状、電極構成）の音叉形圧電振動子においても、それぞれの単結晶材料が持つ固有の異方性により、目的の振動を効率良く励振・検出することが非常に困難になるという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、動作周波数の異なる複数の音叉形圧電振動ジャイロの製造工程において、量産工程を共通化するのが容易な量産性に優れた単純な構造で、干渉ノイズの影響を受けにくい音叉形圧電振動ジャイロを提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、少なくとも第１のアームと第２のアームと前記アームを接続したベースが一体的に形成され、前記第１のアームと第２のアームに駆動および検出用の電極が施された互いに共振周波数の異なる音叉形圧電振動子を互いに直交させて配置した、２軸または３軸の角速度の検出を可能としたシステムに用いる音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記アームの長さが互いに異なる音叉形振動子を２個または３個、互いに直交させて配置した音叉形圧電振動ジャイロである。

第１の発明では、音叉形圧電振動子のアームの長さのみを変化させて、共振周波数を調整する。２軸以上の角速度の検出が必要な場合には、アームの長さの異なる音叉形圧電振動子を形成する。この場合、同一空間内に複数の音叉形圧電振動ジャイロを配置しても、共振周波数が異なるので、互いに干渉することなく、正常に圧電振動ジャイロとして機能する。

上記目的を達成するための第２の発明は、前記第１の音叉形圧電振動子と前記第２の音叉形圧電振動子における共振周波数の差が１ｋＨｚ以上で、前記第２の音叉形圧電振動子と第３の音叉形圧電振動子における共振周波数の差が１ｋＨｚ以上で、前記第１の音叉形圧電振動子と第３の音叉形圧電振動子における共振周波数の差が１ｋＨｚ以上にした音叉形圧電振動ジャイロである。

第２の発明では、互いの音叉形圧電振動子における共振周波数の差が１ｋＨｚ以上となり、音叉形圧電振動ジャイロの出力に含まれる手振れの周波数帯域（０．１Ｈｚ〜５０Ｈｚ）より干渉波の周波数が十分に高くなる。その結果、干渉ノイズをローパスフィルタでカットすることが容易となる。

本発明によれば、圧電振動子の支持が比較的容易で、共振周波数を低く設計できる音叉形状を選択し、音叉形圧電振動子のアームの長さのみ可変して、動作周波数の異なる２つまたは３つの音叉形圧電振動子を組み合わせて２軸以上の角速度を検出できる音叉形圧電振動ジャイロを構成する。音叉形圧電振動子のアームの長さのみ可変するのは、音叉形圧電振動子のアームの先端部を切断する製造工程のみを変更すればよく、その他の製造工程は、同じ生産設備を利用できる。すなわち、動作周波数の異なる複数の音叉形圧電振動ジャイロの製造工程において、量産工程を共通化することが容易で、非常に量産性に優れた音叉形圧電振動ジャイロの提供が可能になる。

また、同一の圧電材料を使用しているので、異なる圧電材料を使用した場合に生じる圧電特性の違いの影響や、それぞれの材料が持つ固有の異方性による影響の問題点を解決でき、音叉形圧電振動子のアームの長さのみ可変で、互いの音叉形圧電振動子における共振周波数の差を１ｋＨｚ以上に容易に調整できる。その結果、音叉形圧電振動ジャイロの出力に含まれる手振れの周波数帯域（０.１Ｈｚ〜５０Ｈｚ）より干渉波の周波数が十分に高くなる。その結果、干渉ノイズをローパスフィルタでカットすることがより容易になる。

その結果、動作周波数の異なる複数の圧電振動ジャイロの製造工程において、量産工程を共通化するのが容易な量産性に優れた単純な構造で、干渉ノイズの影響を受けにくい音叉形圧電振動ジャイロの提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形圧電振動ジャイロを以下に図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の音叉形圧電振動ジャイロの振動モードを示す斜視図である。図１（ａ）は音叉振動モードを示す斜視図で、図１（ｂ）は面外振動モードを示す斜視図である。図５は、音叉振動子のアームの長さと共振周波数の関係を示す。

本発明の音叉形圧電振動ジャイロの基本的な動作原理を最初に説明する。図１に示した音叉形の圧電単結晶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ジャイロを構成する。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て、音叉振動モードを励振する。その状態で、音叉形圧電振動子の長さ方向の軸に角速度を印加すると、音叉形圧電振動子に角速度に比例したコリオリ力が働き、面外振動モードが生じる。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すことで、角速度に比例した電気信号を検出でき、圧電振動ジャイロとして機能させることができる。なお、ここでは、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。

本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形圧電振動ジャイロでは、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圧電振動子の形状を選択する。本発明の音叉形圧電振動ジャイロの振動子材料は、キュリー点が高く、結合係数の大きい圧電単結晶を選択する。これらの圧電単結晶としては、ＬｉＴａＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃の圧電単結晶が好適である。本発明の音叉形圧電振動ジャイロの音叉形圧電振動子は、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ので、音叉形圧電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できる。

さらに、音叉形圧電振動子の結晶方位は、音叉形圧電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、音叉形圧電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、音叉形圧電振動子の幅方向の電界による大きな圧電横効果利用し、電極を音叉形圧電振動子の一側面だけで構成できる。なお、ＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板の回転角は４０°±２０°の範囲内で、ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板の回転角は５０°±２０°の範囲内であれば、圧電横効果の低下は許容できる。

このような圧電単結晶を用いて、第１のアームと第２のアームを接続したベースを一体化して成形し、アームの長手方向と平行にそれぞれ３本の帯状電極を各アームの一方の主面に形成する。これらの各３本の帯状電極は、音叉振動モードおよび面外振動モードに結合した電極になるので、励振および検出可能な音叉形圧電ジャイロを構成できる。なお、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、配線を一括の工程で行えるので有利である。

さらに、本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形圧電振動ジャイロでは、音叉形圧電振動子のアームの長さのみを調整して、共振周波数を設計できる。音叉形圧電振動子のアームの長さと共振周波数の関係を図５に示す。図５に示すように、共振周波数は、アームの長さの二乗にほぼ反比例する関係にある。例えば、共振周波数を１％調整しようとする場合は、音叉形圧電振動子のアームの長さを０．５％短くするだけで良い。

本発明に係る音叉形圧電振動ジャイロの実施例を以下に図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の音叉形圧電振動ジャイロの構成を示す斜視図である。図３は、本発明の音叉形圧電振動ジャイロの実施例１における音叉形圧電振動子の駆動および検出方法を説明するための断面図である。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。図７は、本発明の音叉形圧電振動ジャイロのベース部を拡大した斜視図である。図８は、本発明の音叉形圧電振動ジャイロを実装する様子を示す斜視図である。

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を圧電単結晶に形成した（図２参照）。アーム２の音叉形圧電振動子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を音叉形圧電振動子のアーム２に配置した。同様に、アーム３の音叉形圧電振動子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を音叉形圧電振動子のアーム３に配置した。圧電単結晶は、音叉形圧電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、音叉形圧電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板を使用した。音叉形圧電振動子の幅方向の電界に対して、圧電横効果が大きいので、音叉形圧電振動子の幅方向に電界を印加して、音叉形圧電振動子の長手方向に歪を生じさせ、アームを屈曲させた。

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した（図３参照）。駆動電極６の左右では、逆向きの電界になるので、一方は音叉形振動子の長さ方向に伸び、もう一方は音叉形圧電振動子の長さ方向に縮む。その結果、音叉振動モードを駆動電極６により励振できる。また、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と、音叉振動モードを２倍の効率で励振できる。

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た（図３参照）。この振動は、音叉形圧電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。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この振動を検出できる。なお、面外振動モードにより生じる検出電極７と検出電極１０の信号は、同振幅、同位相である。ここでは、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、音叉形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ても同様に使用できる。

自励発振回路１０２から出力される信号を駆動電極６に印加して、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に印加して、音叉振動モードを励振した（図４参照）。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で構成される電流検出回路を検出電極７および検出電極１０に接続することで、オペアンプの仮想接地ができ、検出電極の電位を基準電位に固定できた。その結果、検出電極７および検出電極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可能になった。

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に入力された。加算回路１０１に入力された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った。したがって、加算回路１０１から同期検波回路１０３に入力された信号は、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になり、ローパスフィルタ１０４から出力された直流電圧は、角速度に比例した電圧となった。なお、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に帰還されたと同時に、同期検波回路１０３の参照信号として利用した。

本発明の実施例に係る音叉形圧電振動ジャイロのベース１の表面に駆動電極５および駆動電極６、検出電極７および検出電極１０、基準電位電極８と基準電位電極９を接続した基準電位電極２０があり、それぞれの電極の表面に金バンプ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ，２１ｅを形成した（図７参照）。キャビティ部２７を有するセラミックス基板２６の表面に実装用ランド２８を形成し、音叉形圧電振動子２５を超音波接合により実装した（図８参照）。図８に示した実装方法により、アームの長さを数％可変して、共振周波数を調整した音叉圧電振動子を問題なく実装できた。また、アームの長さの可変による圧電特性の変動も許容範囲内に抑制できた。その結果、動作周波数が異なるだけの良好な圧電振動ジャイロの特性を得ることができた。

以上に示したように、本発明の実施例に係る音叉形圧電振動ジャイロは、圧電振動子の支持が比較的に容易で、音叉形状なので、共振周波数を低く設計できる。また、音叉形圧電振動子のアームの長さのみを調整することで、動作周波数の異なる２つ、または、３つの音叉形圧電振動子を組み合わせた２軸以上の角速度を検出できる圧電振動ジャイロを構成できる。音叉形圧電振動子のアーム長さの調整は、音叉形圧電振動子のアームの先端部を切断する工程のみを変更すればよく、その他の工程は、従来と同様の設備を利用できる。

その結果、動作周波数の異なる複数の圧電振動ジャイロの製造工程において、量産工程を共通化するのが容易な量産性に優れた単純な構造で、干渉ノイズの影響を受けにくい音叉形圧電振動ジャイロの提供が可能となる。

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斜視図。図１（ｂ）は面外振動モードを示す斜視図。 本発明における音叉形圧電振動ジャイロの構成を示す斜視図。 本発明の音叉形圧電振動ジャイロの実施例１における音叉形圧電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。 音叉形圧電振動子のアームの長さと共振周波数の関係を示す図。 特許文献１の音叉形圧電振動ジャイロの構造を示す斜視図および断面図。 本発明の音叉形圧電振動ジャイロのベース部を拡大した斜視図。 本発明の音叉形圧電振動ジャイロを実装する様子を示す斜視図。

符号の説明

１ ベース
２，３ アーム
５，６ 駆動電極
７，１０ 検出電極
８，９，２０ 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
４０２，４０３，４０４，４０５ 帯状電極
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ 金バンプ
２５，４０１ 音叉形圧電振動子
２６ セラミックス基板
２７ キャビティ部
２８ 実装用ランド

Claims (2)

1. 少なくとも第１のアームと第２のアームと前記アームを接続したベースが一体的に形成され、前記第１のアームと第２のアームに駆動および検出用の電極が施された互いに共振周波数の異なる音叉形圧電振動子を互いに直交させて配置した、２軸または３軸の角速度の検出を可能としたシステムに用いる音叉形圧電振動ジャイロにおいて、前記アームの長さが互いに異なる音叉形圧電振動子を２個または３個、互いに直交させて配置したことを特徴とする音叉形圧電振動ジャイロ。
2. 前記第１の音叉形圧電振動子と前記第２の音叉形圧電振動子における共振周波数の差が１ｋＨｚ以上で、前記第２の音叉形圧電振動子と第３の音叉形圧電振動子における共振周波数の差が１ｋＨｚ以上で、前記第１の音叉形圧電振動子と第３の音叉形圧電振動子における共振周波数の差が１ｋＨｚ以上にし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。

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