(57)【要約】  ２つの検出軸Ｘ１，Ｘ２に対応する検出回路を同一の回路構成としながら、広い可動温度範囲を確保できる振動ジャイロ素子（１）の提供を図る。振動ジャイロ素子（１）は、主面に平行で互いに直交する２つの検出軸Ｘ１，Ｘ２それぞれを中心として線対称な形状で構成した圧電基板（３）と、圧電基板（３）の主面表裏に設けた複数組の主面電極（２，４）とを備える。圧電基板（３）は、三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなり、２つの検出軸Ｘ１，Ｘ２の間を等分する軸に結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の結晶軸Ｘが一致する。
2011004669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に平行で互いに直交する２つの検出軸それぞれを中心として線対称な形状で構成した圧電基板と、前記圧電基板の主面表裏に設けた複数の主面電極対とを備え、少なくともいずれかの主面電極対の間に周波数信号を印加して主面法線方向に前記圧電基板を振動させ、少なくともいずれかの主面電極対に励起する電圧に基づいて、前記検出軸回りの回転によって前記圧電基板に作用するコリオリの力を検出する振動ジャイロ素子であって、
前記圧電基板は、三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなり、２つの検出軸の間を等分する軸のいずれかに結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の結晶軸Ｘが一致する、振動ジャイロ素子。
【請求項２】
三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなり、２つの検出軸の間を等分する前記軸に結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の結晶軸Ｘが一致し、前記圧電基板を支持する支持基板を備える、請求項１に記載の振動ジャイロ素子。
【請求項３】
前記圧電基板は、枠状の振動部と前記振動部を支持する支持梁とを備え、前記支持梁は２つの検出軸の間を等分する軸に沿って延設される、請求項１または２に記載の振動ジャイロ素子。
【請求項４】
前記圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを０°から１８０°まで変化させた場合に電気機械結合係数が第１の極大値、極小値、第２の極大値の順に変化するとともに、第１の極大値よりも第２の極大値が大きい特性を有するものであり、電気機械結合係数が第１の極大値よりも大きくなる範囲に右手系のオイラー角表示のθが収まるように構成する、請求項３に記載の振動ジャイロ素子。
【請求項５】
前記圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを電気機械結合係数がほぼ第２の極大値になる範囲に設定する、請求項４に記載の振動ジャイロ素子。
【請求項６】
前記圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを０°から１８０°まで変化させた場合に、共振周波数が極値を示して変化する特性を有するものであり、この圧電基板を、共振周波数がほぼ極値になる範囲にオイラー角表示のθが収まるように構成する、請求項３〜５のいずれかに記載の振動ジャイロ素子。
【請求項７】
前記圧電基板は、ニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウムからなる、請求項１〜１０のいずれかに記載の振動ジャイロ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動体を主面に垂直な方向に屈曲振動させ、振動体の主面に平行な方向に作用するコリオリの力から、振動体の回転を検出する振動ジャイロ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロ素子は、水晶・ニオブ酸リチウム・タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶や圧電単結晶を貼り付けた振動板を振動体として利用する。振動体の形状としては、音叉形・正方形断面音片形・正三角形断面音片形・円形音片形・Ｈ字形などの様々な形状がある（例えば、非特許文献１〜３および特許文献４参照。）。【０００３】
非特許文献１〜３に記載された振動ジャイロ素子は、回転を検出する検出軸を一つ有する。そのため複数の検出軸で回転を検出するには、複数の素子が必要である。一方、特許文献４に記載された振動ジャイロ素子は、複数の検出軸を有する。【０００４】
図１は、特許文献４を参考にした振動ジャイロ素子の構成例を説明する図である。
この振動ジャイロ素子１０１は、振動板１０４と８つの検出用振動体と１つの駆動用振動体とを備える。駆動用振動体は駆動電極１０６と圧電基板１０７と駆動電極１０８とを備え、振動板１０４に主面法線方向の屈曲振動を励起させる。検出用振動体は検出電極１０２と圧電基板１０３と検出電極１０５とを備える。【０００５】
この振動ジャイロ素子１０１では、直交する２つの検出軸（Ｘ１軸・Ｘ２軸）それぞれを中心に各検出用振動体が対称となるように配置される。検出軸を挟んで配置される一組の検出用振動体には、振動板１０４にコリオリの力が作用しない場合に互いに同相で交番電圧が励起し、コリオリの力が作用する場合に交番電圧の位相が逆極性の変化量で変化する。そのため、検出回路で一組の検出用振動体に励起する交番電圧の差分を取得することで、それらの振動体に挟まれる検出軸を中心とした回転により生じるコリオリの力を検出することが可能になる。【０００６】
複数の検出軸を有する振動ジャイロ素子では、駆動特性や検出特性が検出軸ごとに相似すれば、各検出軸回りの回転を検出する検出回路が同一の回路構成であっても各検出軸回りの回転を検出できる。駆動特性は屈曲振動の振幅の分布、検出特性は励起電圧の振幅の分布に関する特性である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「圧電形振動ジャイロスコープ」，日本音響学会誌45巻5号pp.402-408，1989
【非特許文献２】「圧電形振動ジャイロスコープ角速度センサ」，電子情報通信学会論文誌Vol.J78-C-I  pp.547-556，1995年2月
【非特許文献３】「ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウム圧電単結晶を用いた電子機構デバイス」，電子情報通信学会論文誌Vol.J87-C No.2  pp.216-224，2004年2月
【特許文献】
【０００８】
【特許文献４】特許第３２１８７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
検出軸毎の駆動特性や検出特性には温度依存性があり、環境温度が可動温度範囲から外れることで検出軸毎の駆動特性や検出特性の相似性は崩れる。検出軸毎の駆動特性や検出特性の相似性が崩れても、各検出軸に対応する検出回路などで補償を行うことで励起電圧の相似性を確保することは可能である。しかしながら、その場合には振動ジャイロ素子全体としての回路構成が複雑化する問題がある。【００１０】
本願発明者は鋭意研究を進めた結果、駆動特性や検出特性における相似性の崩れが、圧電基板と電極との間の線膨張係数差に依存するという知見を得て、本願発明の技術的思想の創作に至った。【００１１】
本発明の目的は、各検出軸に対応する検出回路が同一の回路構成であっても、広い可動温度範囲を確保できる振動ジャイロ素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の振動ジャイロ素子は、主面に平行で互いに直交する２つの検出軸それぞれを中心として線対称な形状で構成した圧電基板と、圧電基板の主面表裏に設けた複数の主面電極対とを備える。そして、少なくともいずれかの主面電極対の間に周波数信号を印加することで、主面法線方向に圧電基板を振動させる。また、少なくともいずれかの主面電極対に励起する電圧に基づいて、検出軸回りの回転によって圧電基板に作用するコリオリの力を検出する。ここで、圧電基板は、三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなり、結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の結晶軸Ｘを２つの検出軸の間を等分する軸に一致させる。【００１３】
圧電基板と主面電極対とは線膨張係数が相違するため、熱応力が作用することで圧電基板に歪みが生じる。この歪みの分布は三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶では結晶軸Ｘを中心に対称となる。したがって、２つの検出軸の間を等分する軸に結晶軸Ｘを一致させることで、圧電基板における各検出軸上に生じる圧電基板の歪みの分布を対称に近づけられる。これにより、環境温度の変化により検出軸上に圧電基板の歪みが生じても、検出軸毎の駆動特性や検出特性の相似性を維持できる。【００１４】
この発明の圧電基板は、枠状の振動部と振動部を支持する支持梁とを備え、支持梁は２つの検出軸の間を等分する軸に沿って延設されると好適である。振動部の支持梁に支持される位置は屈曲振動の節となり、振動部の検出軸上の位置が屈曲振動の腹となる。したがって、検出軸上で振動部の屈曲振動の振幅を最大化でき、検出感度が高まる。また、枠状の振動部を支持梁で支持する構成のため、振動部の屈曲振動を最大限、拘束せずに支持でき、検出軸ごとの線膨張係数差の相似性を確保できる。したがって、理想的な振動形態を実現できる。【００１５】
この発明の圧電ジャイロ素子は、三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなり、２つの検出軸の間を等分する前記軸に結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の結晶軸Ｘが一致する支持基板をさらに備え、この支持基板で圧電基板を支持すると好適である。これにより、検出軸毎の駆動特性や検出特性の相似性を高められる。【００１６】
この発明の圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを０°から１８０°まで変化させた場合に電気機械結合係数が第１の極大値、極小値、第２の極大値の順に変化するとともに、第１の極大値よりも第２の極大値が大きい特性を有するものであり、電気機械結合係数が第１の極大値よりも大きくなる範囲に右手系のオイラー角表示のθが収まるように構成すると好適で有る。また、この発明の圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを電気機械結合係数がほぼ第２の極大値になる範囲に設定すると好適で有る。圧電基板を上述のように構成することで、電気機械結合係数を大きくして振動ジャイロ素子の感度を高められる。また、θに誤差があっても、極値付近では電気機械結合係数の安定性が向上する。【００１７】
この発明の圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを０°から１８０°まで変化させた場合に、共振周波数が極値を示して変化する特性を有するものであり、この圧電基板を、共振周波数がほぼ極値になる範囲にオイラー角表示のθが収まるように構成すると好適で有る。θに誤差があっても、極値付近では共振周波数の安定性が向上する。【００１８】
この発明の圧電基板は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムとすると好適である。ニオブ酸リチウムを採用することで電気機械結合係数とＱ値とを大きくでき良好な感度特性が得られる。タンタル酸リチウムを採用することで感度と温度特性のバランスを改善できる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、熱応力の作用で生じる圧電基板の歪みの分布が２つの検出軸上で対称になり、広い温度範囲で、２つの検出軸それぞれを基準とした駆動特性や検出特性の相似性を確保できる。したがって、各検出軸を中心とした回転を検出する検出回路として同一の回路構成を用いても、広い可動温度範囲を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の振動ジャイロ素子の構成例を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態に係る振動ジャイロ素子の構成例を説明する図である。
【図３】右手系のオイラー角表示について説明する図である。
【図４】図２に示す振動ジャイロ素子の回路構成を説明する図である。
【図５】図２に示す振動ジャイロ素子の動作を説明する図である。
【図６】線膨張係数の面内回転角依存性を説明する図である。
【図７】オイラー角のθと電気機械結合係数との関係を説明する図である。
【図８】温度変化と周波数変化率の変動との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態に係る振動ジャイロ素子について説明する。
図２は振動ジャイロ素子の構成例を示す図である。図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は中央断面図、図２（Ｃ）はＡ−Ａ’断面図、図２（Ｄ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【００２２】
振動ジャイロ素子１は、直交２軸（Ｘ１軸およびＸ２軸）を検出軸として、検出軸回りの回転を検出する。そのため、振動ジャイロ素子１はＸ１軸を対称軸として線対称な形状、且つ、Ｘ２軸を対称軸として線対称な形状で構成している。また、Ｘ１−Ｘ２面に垂直なＸ３軸に沿って下から順に、支持基板５、下主面電極４、圧電基板３、および上主面電極２を積層して構成している。
【００２３】
支持基板５および圧電基板３はニオブ酸リチウム（LiNbO3）の圧電単結晶基板またはタンタル酸リチウム（LiTaO3）の圧電単結晶基板であり、支持基板５は０．３４ｍｍ厚、圧電基板３は１μｍ厚である。下主面電極４は電極厚５００ｎｍのタングステン（W）電極であり、上主面電極２はアルミニウム（Al）電極である。タングステン電極は融点が高いため熱負荷による電極の拡散を抑えられ、比重が大きく固有音響インピーダンスが大きいため圧電振動子に励起する弾性波機械振動のダンピングを抑えられる。アルミニウム電極は比抵抗が小さいので、圧電振動子の直列等価抵抗を抑えられる。
【００２４】
圧電基板３は、圧電基板３の結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）からの右手系のオイラー角表示（φ，θ，ψ）＝（０°，θ°，４５°）で規定される変換座標系（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）で、Ｘ１−Ｘ２面が主面となるように構成する。これにより、結晶軸Ｘが、検出軸Ｘ１，Ｘ２の間を４５°で等分する軸と一致することになる。図３は右手系のオイラー角表示（φ，θ，ψ）と変換座標系（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）との関係を示す図である（例えば、弾性波素子技術ハンドブック  日本学術振興会弾性波素子技術第150委員会編，オーム社，1991；P.549参照。）。
【００２５】
圧電基板３は圧電基板主面（Ｘ１−Ｘ２面）をＸ３軸から見て、内側領域３Ａと枠状領域３Ｂと外側領域３Ｃとに区分される。枠状領域３Ｂは内径４００μｍｍ、外径５００μｍの円形内形・円形外形の枠状である。内側領域３Ａは直径３００μｍの円形である。外側領域３Ｃは内径６００μｍの円形内形・矩形外形である。内側領域３Ａと枠状領域３Ｂとの間には４つの内側開放孔３１と４つの内側梁部３２とを設けていて、外側領域３Ｃと枠状領域３Ｂとの間には４つの外側開放孔３３と４つの内側梁部３２とを設けている。内側梁部３２と外側梁部３４とは、Ｘ１−Ｘ２面におけるＸ１軸正方向を０°として、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の方向に沿う幅２０μｍの梁状の領域としている。これら内側梁部３２と外側梁部３４とは、枠状領域３Ｂを支持基板５から浮かせた状態に支持する。
【００２６】
下主面電極４は、圧電基板３の下主面の少なくとも枠状領域３Ｂを覆う領域に設けていて、基準電位に接続される。各駆動検出電極２Ａは下主面電極４に対向して、本発明の主面電極対を構成する。
【００２７】
支持基板５は、支持基板主面（Ｘ１−Ｘ２面）をＸ３軸から見て、内側領域５Ａと振動領域５Ｂと外側領域５Ｃとに区分される。振動領域５Ｂは内形３００μm、外形６００μmの円形内形・円形外形の枠状に支持基板５を上主面から深さ３μmで掘り下げて振動空間を設けた領域であり、圧電基板３の枠状領域３Ｂと内側開放孔３１と内側梁部３２と外側開放孔３３と内側梁部３２とに対面する位置に設けている。振動空間は、内側開放孔３１および外側開放孔３３に連通していて、枠状領域３Ｂと支持基板５との干渉を防ぐ。内側領域５Ａは直径３００μｍの領域であり、圧電基板３の内側領域３Ａが重なる領域である。外側領域５Ｃは内径６００μｍの領域であり、圧電基板３の外側領域３Ｃが重なる領域である。支持基板５には、圧電基板３と同じ圧電性材料を用いることで線膨脹係数差を抑制できる。なお、支持基板５として圧電基板３と熱膨張係数が異なるが耐熱性に優れ入手が容易で安価なＳｉやガラスを用いてもよい。
【００２８】
上主面電極２は、８つの駆動検出電極２Ａと、８つの回路接続電極２Ｂと、４つの基準電位接続電極２Ｃと、８つの配線２Ｄとを備えている。駆動検出電極２Ａは枠状領域３Ｂの上面にパターニングしている。回路接続電極２Ｂおよび基準電位接続電極２Ｃは外側領域３Ｃの上面にパターンニングしている。配線２Ｄは、枠状領域３Ｂから外側領域３Ｃに架けて外側梁部を経由して設けている。駆動検出電極２Ａは、２つずつ、正方向のＸ１軸両側、負方向のＸ１軸両側、正方向のＸ２軸両側、負方向のＸ２軸両側に約５μｍの間隔で配置している。具体的には、各駆動検出電極２ＡはＸ１−Ｘ２面におけるＸ２軸正方向を０°として、約０°〜３０°、６０°〜９０°、９０°〜１２０°、１５０°〜１８０°、１８０°〜２１０°、２４０°〜２７０°、２７０°〜３００°、３３０°〜３６０°の範囲を占めている。なお、隣接する駆動検出電極２Ａ間は約５μmの間隔を隔てている。回路接続電極２Ｂは詳細を後述する駆動検出回路に接続される。基準電位接続電極２Ｃはスルーホールを介して下主面電極４に接続される。配線２Ｄは駆動検出電極２Ａと回路接続電極２Ｂとの間を接続し、絶縁層２Ｅを介して圧電基板３に接合されている。
【００２９】
以上の構成では、圧電基板３における枠状領域３Ｂの上主面に駆動検出電極２Ａを設けるとともに枠状領域３Ｂの下主面に下主面電極４と誘電体層５とを積層して振動部を構成している。振動部は周波数信号が印加されることで屈曲振動する。
【００３０】
図４は、振動ジャイロ素子１の回路構成例を説明する回路図である。振動ジャイロ素子１は、周波数信号発生回路６と差動回路７Ａ，７Ｂと平滑回路８Ａ，８Ｂとを備える。基準電位接続電極２Ｃにはグランドを接続する。
【００３１】
周波数信号発生回路６は駆動抵抗Ｒを介して８つの回路接続電極２Ｂに接続され、８つの駆動検出電極２Ａそれぞれに周波数信号を与える。各駆動検出電極２Ａに与える周波数信号は、それぞれ同相・同振幅である。また周波数は、枠状領域の共振周波数とする。共振周波数では、枠状領域３ＢのＸ３軸方向の振動が、Ｘ１−Ｘ２面におけるＸ１軸上およびＸ２軸上の位置（０°、９０°、１８０°、２７０°）に振動の腹を形成し、梁部により支持される位置（４５°、１３５°、２２５°、３１５°）の位置に振動の節を形成する。
【００３２】
Ｘ２軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２ＡのうちＸ１軸負方向（図中左側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ａの第一の入力端に接続される。また、Ｘ１軸正方向（図中右側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ａの第二の入力端に接続される。また、Ｘ１軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２ＡのうちＸ２軸負方向（下側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ｂの第一の入力端に接続される。Ｘ２軸正方向（上側）に配置された２つの駆動検出電極２Ａは、差動回路７Ｂの第二の入力端に接続される。
【００３３】
差動回路７Ａ，７Ｂの出力端は平滑回路８Ａ、８Ｂに接続され、差動回路７Ａ，７Ｂはそれぞれの第一の入力端と第二の入力端との電圧差を出力する。平滑回路８Ａ、８Ｂは差動回路７Ａ，７Ｂの出力電圧を平滑する。
【００３４】
図５は、振動ジャイロ素子１の動作を説明する図である。図５（Ａ）はＸ１軸回りに回転する例を、図５（Ｂ）はＸ２軸回りに回転する例を示す。
【００３５】
上記共振周波数で屈曲振動する際には、振動ジャイロ装置にＸ２軸回りの角速度が加わると、Ｘ１軸方向にコリオリの力が加わる。すると、Ｘ２軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２Ａに印加されている周波数信号の位相が、Ｘ１軸正方向に配置された駆動検出電極２Ａと、Ｘ１軸負方向に配置された駆動検出電極２Ａとで逆方向に変化する。このため、差動回路７Ａによる差分出力は、コリオリの力の大きさに応じた電圧となる。
【００３６】
また、振動ジャイロ装置にＸ１軸回りの角速度が加わると、Ｘ２軸方向にコリオリの力が加わる。すると、Ｘ１軸の両側に配置された４つの駆動検出電極２Ａに印加されている周波数信号の位相が、Ｘ２軸正方向に配置された駆動検出電極２Ａと、Ｘ２軸負方向に配置された駆動検出電極２Ａとで逆方向に変化する。このため、差動回路７Ｂによるそれらの差分出力は、コリオリの力の大きさに応じた電圧となる。
【００３７】
なお、振動ジャイロ素子１が回転していない状態では、周波数信号は同相・同振幅なので差動回路７Ａ，７Ｂによって取り除かれることになる。また、振動ジャイロ装置に衝撃などが作用する際に各駆動検出電極に励起する信号や、Ｘ１軸回りの回転の際にＸ２軸に沿って配置された駆動検出電極に励起する信号、Ｘ２軸回りの回転の際にＸ１軸に沿って配置された駆動検出電極に励起する信号は、やはり同相・同振幅となるので差動回路７Ａ，７Ｂによって取り除かれることになる。
【００３８】
以下、振動ジャイロ素子の線膨張係数について説明する。
図６（Ａ）は、オイラー角のψ=４５°であるニオブ酸リチウムの圧電単結晶基板での線膨張係数の面内回転角依存性、即ち、ニオブ酸リチウム基板の線膨張係数をテンソルの変換則に従って変換したマトリクス成分と、右手系のオイラー角表示のθ°との関係を示す図である。ニオブ酸リチウム基板ではオイラー角のθに関わらず、常にα11=α22、かつ、α12=α21となる。これは、Ｘ１軸方向とＸ２軸方向に関わる線膨張係数が等しくなり、温度による変形がこの2軸に対して等しくなることを示している。したがって、圧電基板３や支持基板５における各検出軸上に生じる歪みの分布を対称にできる。これにより、広い温度範囲で、２つの検出軸それぞれを基準とした駆動特性や検出特性の相似性を確保できる。
【００３９】
図６（Ｂ）は、オイラー角のψ=４５°であるタンタル酸リチウムの圧電単結晶基板での線膨張係数の面内回転角依存性、即ち、タンタル酸リチウム基板の線膨張係数をテンソルの変換則に従って変換したマトリクス成分と、右手系のオイラー角表示のθ°との関係を示す図である。この場合にも、オイラー角のθに関わらず、常にα11=α22、かつ、α12=α21でＸ１軸方向とＸ２軸に関わる線膨張係数が等しくなり、温度による変形がこの2軸に対して等しくなる。したがって、圧電基板３や支持基板５における各検出軸上に生じる歪みの分布を対称にでき、広い温度範囲で２つの検出軸それぞれを基準とした駆動特性や検出特性の相似性を確保できる。
【００４０】
なお、少なくとも圧電基板３として三方晶系の点群３ｍに分類され、右手系のオイラー角表示で（０°，θ°，４５°）となる圧電単結晶基板を用いれば、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムの圧電単結晶基板と同様に、広い温度範囲で２つの検出軸それぞれを基準とした駆動特性や検出特性の相似性を確保できる。また、支持基板５はどのような材質であってもよいが、支持基板５にも三方晶系の点群３ｍに分類され、右手系のオイラー角表示で（０°，θ°，４５°）となる圧電単結晶基板を用いることで、駆動特性や検出特性の相似性をさらに高められる。
【００４１】
次に、圧電基板３における右手系のオイラー角表示のθの好適な設定例について説明する。
図７（Ａ）は、ニオブ酸リチウム基板およびタンタル酸リチウム基板におけるオイラー角のθと電気機械結合係数との関係を説明する図である。電気機械結合係数は、圧電基板３、上部主面電極、下部主面電極、誘電体層、支持基板の材料定数と振動体の構造を考慮して有限要素法解析を行い、自由容量Cfと着目した振動モードの等価値容量Cnを用いてkv=(Cn/Cf)^(1/2)として定義される。具体的には両端子間の自由容量Cfと等価値容量Cnは、下部電極を0V、上部電極のＸ１軸に隣接する電極を並列に接続した端子と、Ｘ２軸に隣接する電極を並列に接続した端子とにそれぞれ逆極性の電圧を印加し求めることができる。
【００４２】
図示するように、ニオブ酸リチウム基板およびタンタル酸リチウム基板は、オイラー角θを０°から１８０°まで変化させた場合に、約θ＝４０°で電気機械結合係数が第１の極大値、約θ＝７０°で極小値、約θ＝１２０°で第２の極大値を示す。電気機械結合係数は第１の極大値よりも第２の極大値のほうが大きい。振動ジャイロ素子１の感度は電気機械結合係数が大きいほど高まるので、圧電基板３の電気機械結合係数が第２の極大値となるようにオイラー角のθを設定すると好適である。製造過程でオイラー角のθの設定に誤差が生じても、第２の極大値付近では電気機械結合係数の変化率は小さいので、電気機械結合係数および感度の個別製品バラツキを抑えられる。
【００４３】
図７（Ｂ）は、ニオブ酸リチウム基板およびタンタル酸リチウム基板におけるオイラー角のθと共振周波数との関係を説明する図である。共振周波数は、圧電基板３の材料定数と振動体の構造を考慮したものである。
【００４４】
図示するように、ニオブ酸リチウム基板およびタンタル酸リチウム基板は、オイラー角θを0°から１８０°まで変化させた場合に、約θ＝120°で共振周波数が極値を示す。製造過程でオイラー角のθの設定に誤差が生じても、極値付近では共振周波数の変化率は小さいので、圧電基板３の共振周波数が極値となるようにオイラー角のθを設定すると、共振周波数の個別製品バラツキを抑えられる。
【００４５】
図８は、圧電基板３および支持基板５を右手系のオイラー角表示で（０°，１２０°，４５°）とした場合の温度変化と、２５℃を基準とした周波数変化率の変動との関係を説明する図である。図８（Ａ）は圧電基板３としてニオブ酸リチウム基板を採用する例を、図８（Ｂ）は圧電基板３としてタンタル酸リチウム基板を採用する例を示す。ニオブ酸リチウム基板の場合、温度変動１℃当たりの周波数変化率の変動は−３５．１ｐｐｍであった、一方、タンタル酸リチウムの場合、温度変動１℃当たりの周波数変化率の変動は−９．０ｐｐｍであった。このことから、共振周波数の温度特性を改善するためには、振動体の電気機械結合係数とＱ値とを大きくでき良好な感度特性が得られるニオブ酸リチウム基板を採用するよりも、タンタル酸リチウム基板を採用することが望ましいといえる。
【００４６】
以上の実施形態では、枠状領域の形状として円形のものを示したが、本発明はそれ以外にも、正方形、長円形、長方形、多角形など、様々な形状であっても実施できる。また、圧電基板の内側領域や外側領域の一方を省いた構成でも良く、両方を省いた構成でも良い。
【符号の説明】
【００４７】
１…振動ジャイロ素子
２…上主面電極
２Ａ…駆動検出電極
２Ｂ…回路接続電極
２Ｃ…基準電位接続電極
２Ｄ…配線
２Ｅ…絶縁層
３…圧電基板
３１…内側開放孔
３２…内側梁部
３３…外側開放孔
３４…外側梁部
３Ａ…内側領域
３Ｂ…枠状領域
３Ｃ…外側領域
４…下主面電極
５…支持基板
５Ａ…内側領域
５Ｂ…振動領域
５Ｃ…外側領域
６…周波数信号発生回路
７Ａ，７Ｂ…差動回路
８Ａ，８Ｂ…平滑回路
【図１】
2011004669.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成24年7月24日(2012.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に平行で互いに直交する２つの検出軸それぞれを中心として線対称な形状で構成した圧電基板と、前記圧電基板の主面表裏に設けた複数の主面電極対とを備え、少なくともいずれかの主面電極対の間に周波数信号を印加して主面法線方向に前記圧電基板を振動させ、少なくともいずれかの主面電極対に励起する電圧に基づいて、前記検出軸回りの回転によって前記圧電基板に作用するコリオリの力を検出する振動ジャイロ素子であって、
前記圧電基板は、
枠状の振動部と前記振動部を支持する支持梁とを備え、前記支持梁は２つの検出軸の間を等分する軸に沿って延設されており、
三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなり、２つの検出軸の間を等分する軸のいずれかに結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の結晶軸Ｘが一致している、
振動ジャイロ素子。
【請求項２】
三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなり、２つの検出軸の間を等分する前記軸に結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の結晶軸Ｘが一致し、前記圧電基板を支持する支持基板を備える、請求項１に記載の振動ジャイロ素子。
【請求項３】
前記圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを０°から１８０°まで変化させた場合に電気機械結合係数が第１の極大値、極小値、第２の極大値の順に変化するとともに、第１の極大値よりも第２の極大値が大きい特性を有するものであり、電気機械結合係数が第１の極大値よりも大きくなる範囲に右手系のオイラー角表示のθが収まるように構成する、請求項１または２に記載の振動ジャイロ素子。
【請求項４】
前記圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを電気機械結合係数がほぼ第２の極大値になる範囲に設定する、請求項３に記載の振動ジャイロ素子。
【請求項５】
前記圧電基板は、右手系のオイラー角表示のθを０°から１８０°まで変化させた場合に、共振周波数が極値を示して変化する特性を有するものであり、この圧電基板を、共振周波数がほぼ極値になる範囲にオイラー角表示のθが収まるように構成する、請求項１〜４のいずれかに記載の振動ジャイロ素子。
【請求項６】
前記圧電基板は、ニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウムからなる、請求項１〜５のいずれかに記載の振動ジャイロ素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
この発明の振動ジャイロ素子は、主面に平行で互いに直交する２つの検出軸それぞれを中心として線対称な形状で構成した圧電基板と、圧電基板の主面表裏に設けた複数の主面電極対とを備える。そして、少なくともいずれかの主面電極対の間に周波数信号を印加することで、主面法線方向に圧電基板を振動させる。また、少なくともいずれかの主面電極対に励起する電圧に基づいて、検出軸回りの回転によって圧電基板に作用するコリオリの力を検出する。ここで、圧電基板は、枠状の振動部と振動部を支持する支持梁とを備え、支持梁は２つの検出軸の間を等分する軸に沿って延設されており、三方晶系の点群３ｍに分類される単結晶からなり、結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の結晶軸Ｘを２つの検出軸の間を等分する軸に一致させる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、枠状の振動部と振動部を支持する支持梁とを備え、支持梁は２つの検出軸の間を等分する軸に沿って延設されることにより、振動部の支持梁に支持される位置は屈曲振動の節となり、振動部の検出軸上の位置が屈曲振動の腹となる。したがって、検出軸上で振動部の屈曲振動の振幅を最大化でき、検出感度が高まる。また、枠状の振動部を支持梁で支持する構成のため、振動部の屈曲振動を最大限、拘束せずに支持でき、検出軸ごとの線膨張係数差の相似性を確保できる。したがって、理想的な振動形態を実現できる。
【国際調査報告】
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2011004669.tif 000013
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