(57)【要約】 【課題】  簡素な自励発振回路で安定に動作する小型化に適した圧電振動ジャイロを低コストで提供すること。【解決手段】  単結晶からなる音叉形の圧電振動子の１面に６本の帯状電極〔駆動電極５，６、検出電極７，１０、基準電位電極８，９〕を形成した簡素な圧電振動子の小型化が容易な構成で、必要な音叉振動モードおよび面外振動モードへの電気機械結合を維持したまま、音叉振動子の不要な振動モードの中で最も減衰し難い面内スプリアスモードとの電気機械結合を小さくすること。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶に一体化して形成した、第１および第２のアームと前記アームを接続するベースで構成され、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圧電振動子を用いる構成であり、前記第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の圧電振動子の対称面近傍から順に、第１、第２および第３の帯状電極を前記アームの長手方向と平行に形成し、前記第１のアームの主面と同一側にある前記第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の帯状電極を前記アームの長手方向と平行に形成した音叉形の圧電振動ジャイロにおいて、前記第１および第２のアームの先端から前記アームの長さの４０〜７０％に相当する長さだけ前記ベースに近づいた位置に、前記第１および第２のアームの先端側にある前記第１、第２および第３の帯状電極の先端部を配置したことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項２】
前記第１および第２のアームの先端から前記アームの長さの０〜４０％に相当する長さだけ前記ベースに近づいた位置に前記第１および第２のアームの先端側にある前記第１および第３の帯状電極の先端部を配置したことを特徴とする請求項１記載の圧電振動ジャイロ。
【請求項３】
前記第１および第２のアームの主面にある前記帯状電極が配置されていない領域に、略矩形のダミー電極を形成したことを特徴とする請求項１または２記載の圧電振動ジャイロ。
【請求項４】
前記ダミー電極を、前記第１、第２、または第３の帯状電極のいずれかに接続したことを特徴とする請求項３記載の圧電振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、カメラー体型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圧電振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロは、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。予め、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）を励振した状態で、駆動モードの振動面と駆動振動と直交する方向の機械的な振動（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、コリオリの作用により検出モードが発生し、そ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および角速度に比例するので、駆動モードの大きさを一定にした状態で出力電圧の大きさから角速度の大きさが求められる。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。小型で安価な圧電振動ジャイロは、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の手振れ検出用センサとして広く一般に利用されている。
【０００３】
この圧電振動ジャイロを高効率で高安定に動作させる一般的手段は、自励発振回路を用いることである。圧電振動ジャイロを高効率に動作させるために圧電振動子を共振条件で使用するのが一般的である。しかし、圧電振動子の共振周波数は温度依存性が大きいので、その温度依存性の改善が必要になる。
【０００４】
出力信号の一部を入力へフィードバックし、常に圧電振動子の共振条件で駆動する自励発振回路を有する圧電振動ジャイロの技術が、特許文献１に開示されている。
【０００５】
自励発振回路を有する圧電振動ジャイロの回路構成のブロック図を図１０に示す。２枚の水晶板を張り合わせた音叉形の圧電振動子である圧電振動体２１，２６が、モニター回路４４および電流アンプ５１，５２に接続されている。電流アンプ４５、バンドパスフィルタ４６、整流器４７および平滑回路４８で構成された駆動信号を監視するモニター回路４４は、ＡＧＣ回路４９および駆動制御回路５０と合わせて、自励発振回路を構成している。
【０００６】
また、差動アンプ５３、バンドパスフィルタ５４、位相シフタ５５、同期検波回路５６、平滑回路５６ａおよび直流アンプ５６ｂを用いて角速度の検出を行う。この回路構成で駆動振動は、常に圧電振動子の共振周波数に保たれ、振幅の大きさも制御される。その結果、圧電振動子の共振周波数の変化を打ち消すことが可能となり、圧電振動ジャイロの感度を安定化できる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２４３４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１では、駆動振動モードの共振周波数付近の周波数成分のみを選択的に取り出すバンドパスフィルタでスプリアスモードでの自励発振を防ぎ、必要な自励発振を安定化している。しかし、フィルタ回路の構成は、比較的大きな容量のコンデンサを必要とし、ＩＣチップへのフィルタ回路の内蔵は困難であった。したがって、ＣＲ等のチップ部品を外付け部品として実装する必要があった。
【０００９】
携帯用デジタル機器の小型化および機能の高集積化が進み、圧電振動ジャイロへの更なる小型化の要求が近年高まり、圧電振動ジャイロ用圧電振動子の小型化が進められている。圧電振動ジャイロのシステムでは、チップ部品の占める割合が相対的に大きくなるので、圧電振動ジャイロの更なる小型化には、圧電振動子の小型化、回路構成の簡略化、実装部品点数の削減がコスト的に必要不可欠である。
【００１０】
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、簡素な自励発振回路で安定に動作する小型化に適した圧電振動ジャイロを低コストで提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための第１の発明は、圧電単結晶に一体化して形成した第１および第２のアームと前記アームを接続するベースで構成され、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圧電振動子を用いる構成であり、前記第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の圧電振動子の対称面近傍から順に、第１、第２および第３の帯状電極を前記アームの長手方向と平行に形成し、前記第１のアームの主面と同一側にある前記第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の帯状電極を前記アームの長手方向と平行に形成した音叉形の圧電振動ジャイロにおいて、前記第１および第２のアームの先端から前記アームの長さの４０〜７０％に相当する長さだけ前記ベースに近づいた位置に、前記第１および第２のアームの先端側にある前記第１、第２および第３の帯状電極の先端部を配置した圧電振動ジャイロである。
【００１２】
第１の発明の電極構成にすることで、面内スプリアスモードで発生する電荷の検出量を抑制し、音叉振動モードおよび面外振動モードでの電荷の検出量を十分に確保できる。その結果、自励発振回路のフィルタ回路を省略しても音叉振動モードで安定に自励発振でき、検出感度も十分に確保できる。
【００１３】
上記目的を達成するための第２の発明は、前記第１および第２のアームの先端から前記アームの長さの０〜４０％に相当する長さだけ前記ベースに近づいた位置に、前記第１および第２のアームの先端側にある前記第１および第３の帯状電極の先端部を配置した圧電振動ジャイロである。
【００１４】
第２の発明の電極構成にすることで、面内スプリアスモードで発生する電荷の検出量を第１の発明と同様に抑制できる。また、第１および第３の帯状電極がアームの先端方向へ長いので、面外振動モードによる電荷の検出量が多くなる。その結果、自励発振回路のフィルタ回路を省略しても音叉振動モードで安定に自励発振でき、面外振動モードを高効率で検出できる。
【００１５】
上記目的を達成するための第３の発明は、前記第１および第２のアームの主面にある前記帯状電極が配置されていない領域に、略矩形のダミー電極を形成した圧電振動ジャイロである。
【００１６】
第３の発明の電極構成にすることで、面内スプリアスモードで発生する電荷の検出量を第１の発明と同様に抑制できる。これは、アームの先端の電極が配置されていない領域に略矩形のダミー電極を形成しても動作に支障をきたさなかった実験結果に基づく。
【００１７】
上記目的を達成するための第４の発明は、前記ダミー電極を、前記第１、第２、または第３の帯状電極のいずれかに接続した圧電振動ジャイロである。
【００１８】
第４の発明は、面外スプリアスモードに結合していない形状のダミー電極構造であれば、第１、第２および第３のいずれかの電極に接続して使用しても圧電振動子の出力に面外スプリアスモードによる影響を受けない。例えば、電極が配置されていない領域全体に対してベタ電極を形成した場合には面外スプリアスモードで生じる電荷分布がダミー電極内で相殺されるので、ダミー電極を第１、第２および第３の帯状電極に接続しても、圧電振動子の出力に面外スプリアスモードによる影響を受けない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、単結晶からなる音叉形の圧電振動子の１面に６本の帯状電極を形成した簡素な圧電振動子の小型化が容易な構成で、必要な音叉振動モードおよび面外振動モードへの電気機械結合を維持したまま、音叉形の圧電振動子の不要な振動モードの中で最も減衰し難い面内スプリアスモードとの電気機械結合を小さくできる。その結果、自励発振回路構成からフィルタ回路を省略しても安定な音叉振動モードでの自励発振が得られ、チップ部品点数を少なくできる。よって、簡素な自励発振回路で安定に動作する小型化に適した圧電振動ジャイロを低コストで提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を実施するための最良の形態に係る音叉形の圧電振動ジャイロを、図面を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロの振動モードを示す。図１（ａ）は、音叉振動モードで、図１（ｂ）は、面外振動モードで、図１（ｃ）は、面内スプリアスモードである。
【００２２】
最初に、音叉形の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の音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子に音叉振動モードおよび面外振動モードと結合した電極を配置し、励振および検出可能な音叉形の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することで、音叉振動モードを励振する。音叉振動モードの励振状態で、圧電振動子の長さ方向の軸に角速度を印加すると、圧電振動子に角速度に比例したコリオリ力が働き、面外振動モードを生じる。この面外振動モードで発生す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が得られ、圧電振動ジャイロとして機能できる。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。
【００２３】
本発明の最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用圧電振動子には、図２、図５、図８および図９の構成の圧電振動子がある。図２は、本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の斜視図を示す。この音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の寸法は、全長５．２ｍｍ、幅０．６６ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ、音叉アーム長さ３．２ｍｍ、音叉アーム幅０．２２ｍｍである。アームの先端部から２ｍｍ下側の位置からベースに向かって長さ２ｍｍの帯状電極を６本形成し、駆動電極幅０．１１ｍｍで、検出および基準電極幅０．０３５ｍｍの電極構成である。この圧電振動子の音叉振動モードおよび面外振動モードの共振周波数は、約２０ｋＨｚになる。平行で左右対称に配置された２本のアーム２および３とそれらを接続したベース１の圧電振動子を形成している。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をアーム２に配置する。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をアーム３に配置する。
【００２４】
結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と圧電振動子の長手方向を平行にしたＬｉＮｂＯ3圧電単結晶Ｘ板を圧電振動子として使用すると、圧電振動子の幅方向の電界に対して、圧電横効果が大きくなる。したがって、圧電振動子の幅方向に電界を印加すると、圧電振動子の長手方向に歪が生じ、アームを屈曲できる。
【００２５】
本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の振動状態を示す断面図を図３に示す。図３（ａ）は、音叉モードの励振状態を示し、図３（ｂ）は、面外モードの検出状態を示す。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と、図３（ａ）の電界が発生し、駆動電極６の左右では、逆向きの電界になり、一方は長さ方向に伸び、もう一方は長さ方向に縮む。その結果、駆動電極６により音叉振動モードを励振できる。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。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により面外振動モードが生じる。この振動は、圧電振動子の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、面外振動モードで生じる検出電極７と検出電極１０の信号は、同振幅、同位相である。
【００２６】
これまで図１（ａ）および図１（ｂ）の振動モードについてだけで説明してきたが、実際の音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子には、多数の不要な振動モードが存在し、その対策が必要である。図１（ｃ）は、本発明の出力の周波数特性で最も大きなレスポンスを生じさせる面内スプリアスモードである。この振動モードは、音叉振動モードの高次の振動モードで、左右の音叉アームが面内で対称に振動する。したがって、音叉振動モードと同様に面内スプリアスモードの振動が圧電振動子のベース部に漏れ難く、音叉振動モードに対して安定な支持条件を与えることは、同時に面内スプリアスモードに対して安定な支持条件を与えることになる。圧電振動ジャイロを高効率で安定に使用するには、駆動モードを安定に支持するのが一般的手段であり、面内スプリアスモードに対しては、電気的な対策を講じるしか手段はない。
【００２７】
本発明のスプリアスモードを抑圧する方法の説明図を図４に示す。図４（ａ）は、音叉振動モード、図４（ｂ）は、面外振動モード、図４（ｃ）は、面内スプリアスモードに対するものである。これらの図から明らかなように、音叉振動モードの電荷分布は、それぞれのアームで幅方向に３つの領域に分かれ、中央とその両端の領域で極性が反転し、左右のアームで互いに分布の極性が反転する。面外振動モードの電荷分布は、それぞれのアームの左右両端に振動子の長さ方向に沿って分布し、圧電振動子の内側２つの領域と外側２つの領域で極性が反転する。面内スプリアスモードの電荷分布は、それぞれのアームで幅方向に３本の帯状に電荷が分布し、アームの幅方向では、中央とその両端の領域で極性が反転し、アームの長さ方向では、アームとベースの接続部付近の領域とアーム中央部の領域で極性が反転し、左右のアームで互いに分布の極性が反転する。
【００２８】
本構成は、圧電振動ジャイロの動作に必要な音叉振動モードと面外振動モードの電荷分布がアームとベースの接続部周辺に集中し、動作の障害となる面内スプリアスモードの電荷分布がアーム先端部付近に集中する特徴を持つ。この特徴を利用して、アームの先端付近（アーム先端部からアーム長さの４０〜７０％に相当する長さだけ下側の位置）に帯状電極を、図２のように、配置しないことで、動作に必要な音叉振動および面外振動モードの効率の低下を抑制し、動作の障害となる面内スプリアスモードの効率を大幅に低減できる。面内スプリアスモードにより発生する電荷は、アームとベースの接続部付近の領域とアーム中央部の領域で相殺され、この電極配置によりそれぞれの帯状電極で検出される電荷量を無くすことができる。
【００２９】
本発明の圧電振動ジャイロの回路構成を示すブロック図を図６に示す。検出電極７および１０を、オペアンプ１１および抵抗１３、オペアンプ１２および抵抗１４で構成される電流検出回路に接続している。自励発振回路は、２つの電流検出回路の出力を差動回路１０２へ入力し、駆動振動成分のみを取り出し、ＡＧＣ回路１０６および整流回路１０５によって振幅を調整した駆動信号を駆動電極６へ接続し、移相回路１００により駆動電極６に印加された信号と逆位相の信号を駆動電極５へ入力する。２つの電流検出回路の出力を加算回路１０１へ接続し、角速度により生じる成分のみを取り出すことで角速度を検出し、同期検波回路１０３およびローパスフィルタ１０４により直流信号に変換してジャイロ出力を得る。
【００３０】
図７は、本発明の効果を説明するための差動出力電流の周波数特性を示し、実線が振幅、破線が位相（駆動電極６に印加する信号を基準）である。図７（ｃ）、図７（ｄ）は、本発明に係る圧電振動ジャイロの場合で、図７（ａ）、図７（ｂ）は、図２の帯状電極をアームの先端まで配置した場合である。また、図７（ａ）、図７（ｃ）は、音叉振動モードの共振付近の周波数特性で、図７（ｂ）、図７（ｄ）は、面内スプリアスモード付近の周波数特性である。
【００３１】
図７（ａ）、図７（ｂ）から明らかなように、帯状電極をアームの先端まで配置した場合は、音叉振動モードによる出力よりも、面内スプリアスモードによる出力振幅が大きくなり、振幅のピーク時の位相も０deg付近にあり、圧電振動子の特性や回路定数のバラツキにより、どちらの共振でも自励発振が起こる可能性があり、自励発振が不安定となる。それに対して、本発明では、音叉振動モードによる出力が６５％程度に低下するが、面内スプリアスモードによる出力振幅が２５％程度まで大きく減衰している。この理由は、音叉振動モードの電荷分布がアームとベースの接続部付近に集中するのに対し、面内スプリアスモードは、アームの中央部付近に電荷が集中するためである。図７（ｄ）の位相の関係から明らかなように、機械的な振動による電流成分よりも制動容量を介して流れる電流成分がより支配的で、面内スプリアスモードでは自励発振が起きない。したがって、フィルタ回路を省略した自励発振回路〔図６参照〕でも安定な自励発振が得られる。
【００３２】
本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の斜視図を図８に示す。２本のアーム２および３とそれらを接続したベース１によって圧電振動体を形成する。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をアーム２に配置している。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をアーム３に同様に配置している。図２と異なる点は、検出電極７および１０と基準電位電極８および９をアームの先端まで延長していることである。
【００３３】
図４（ｂ）および図４（ｃ）から明らかなように、面外振動モードの検出は、アームの両端の電極だけで十分であるが、面外スプリアスモードの検出は、アームに配置された３本の電極すべて必要である。この特徴を活かし、アーム中央に配置された駆動電極のみを短くすることで、図２と同様に面内スプリアスモードを抑圧し、安定な自励発振を得る。さらに、面外振動モードの検出効率を改善できる。
【００３４】
本発明に係る音叉形の圧電ジャイロ用圧電振動子の斜視図を図９に示す。２本のアーム２および３とそれらを接続したベース１で圧電振動体を形成する。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をアーム２に配置する。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をアーム３に同様に配置する。図８と異なる点は、ダミー電極２００および２０１を追加して配置することである。このように、電極を配置していない領域にダミー電極を配置しても動作に支障はきたさない。
【００３５】
本発明に係る音叉形の圧電ジャイロ用圧電振動子の斜視図を図５に示す。図２と異なる点は、電極を配置していない素子表面に基準電位電極を配置した点である。この場合も、図２と同様に面内スプリアスモードを抑圧し、安定な自励発振が得られる。図４（ｃ）から明らかなように、アームの先端付近に生じる面内スプリアスモードの電荷は、基準電位電極の内部で相殺され、面内スプリアスモードに対する結合が大きくならないためである。
【００３６】
以上に示したように、本発明に係る圧電振動ジャイロ用の圧電振動子は、単結晶からなる音叉形の圧電振動子の１面のみに６本の帯状電極を形成するだけの簡素な圧電振動子の小型化が容易な構成で、音叉アーム先端の電極形状の工夫により、必要な音叉振動モードおよび面外振動モードへの電気機械結合を維持したまま、音叉形の圧電振動子のスプリアスモードの中で最も減衰し難い面内スプリアスモードとの電気機械結合を小さくできる。その結果、自励発振回路構成からフィルタ回路を省略しても安定な音叉振動モードでの自励発振が得られ、チップ部品点数を削減できる。すなわち、本発明により、簡素な自励発振回路で安定に動作する小型化に適した圧電振動ジャイロを低コストで提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る音叉形の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。図１（ｃ）は、面内スプリアスモードを示す図。
【図２】本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子を示す斜視図。
【図３】本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子の振動状態を示す断面図。図３（ａ）は、音叉モードの励振状態を示す図。図３（ｂ）は、面外モードの検出状態を示す図。
【図４】本発明のスプリアスモードを抑圧する方法の説明図。図４（ａ）は、音叉振動モードに対する図。図４（ｂ）は、面外振動モードに対する図。図４（ｃ）は、面内スプリアスモードに対する図。
【図５】本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子を示す斜視図。
【図６】本発明の圧電振動ジャイロの回路構成を示すブロック図。
【図７】本発明の効果を説明するための差動出力電流の周波数特性を示す図。図７（ａ）、図７（ｂ）は、図２の帯状電極をアームの先端まで配置した場合を示す図、図７（ｃ）、図７（ｄ）は、本発明に係る圧電振動ジャイロの場合を示す図。
【図８】本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子を示す斜視図。
【図９】本発明に係る音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子を示す斜視図。
【図１０】従来の問題点を説明するための回路構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３８】
１    ベース
２，３    アーム
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
１００    移相回路
１０１    加算回路
１０２    差動回路
１０３    同期検波回路
１０５    整流回路
１０６    ＡＧＣ回路
２００，２０１    ダミー電極
【図１】
2006300520.tif 000003
【図２】
2006300520.tif 000004
【図３】
2006300520.tif 000005
【図４】
2006300520.tif 000006
【図５】
2006300520.tif 000007
【図６】
2006300520.tif 000008
【図７】
2006300520.tif 000009
【図８】
2006300520.tif 000010
【図９】
2006300520.tif 000011
【図１０】
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