(57)【要約】 【課題】  既存のものよりも一層小型化して安価でありながら、高性能な圧電振動ジャイロを作製し得る圧電振動ジャイロ用振動子を提供すること。【解決手段】  発明の圧電振動ジャイロに用いられる振動子４は、Ｙ軸方向を長さ方向として延びた四角柱状の圧電体５の表面に対し、四角形の電極６，７，８，９を各面に設けると共に、電極６，８が設けられた面の電極６と電極８との近傍にそれぞれ長さ方向に平行に延びるように一対の帯状電極１０，１１と一対の帯状電極１２，１３とが設けられている。圧電体５の圧電材料として、電気機械結合係数を大きく温度安定特性を持つニオブ酸リチウムカリウム単結晶を用いる。【選択図】  図１
2006105886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を印加することで所定の方向に振動させることが可能な駆動電極と、その振動の方向に対して垂直な方向の振動を電気的に検出可能な位置に配置された検出電極とを備えた圧電材料からなる圧電振動ジャイロ用振動子において、前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムカリウム単結晶であることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、或いはカメラ一体型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関し、特に、圧電体の振動を利用した圧電振動ジャイロ用振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、振動ジャイロは、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として知られている。即ち、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（駆動振動）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振動（検出振動）の大きさを電気的に検出可能な系において、予め駆動振動を励起させた状態で駆動振動面と検出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、上述したコリオリ力の作用により検出振動が発生し、出力電圧として検出されるものである。検出された出力電圧は駆動振動の大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動の大きさを一定にした条件下で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。このような振動ジャイロの中で、電気的信号と機械的振動との変換を圧電効果で行うものが圧電振動ジャイロと呼ばれている。
【０００３】
圧電振動ジャイロに用いられる振動子としては、振動子本体が水晶やＰＺＴ系セラミクス等の圧電材料からなる構造のものが生産性及び精度に優れることにより広く利用されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００４】
水晶やＰＺＴ系セラミクスを初めとする圧電材料は、その弾性特性や圧電特性等の物性値が様々であるため、使用する圧電材料によって圧電振動ジャイロの特徴も大きく異なってくる。
【０００５】
例えば、水晶は周波数の温度特性に優れるため、圧電振動ジャイロ用振動子として使用すると温度変化に対して出力が安定し、つまりは高精度な振動ジャイロが得られ易いという利点がある。しかしながら、電気機械結合係数が小さいため、振動子としての駆動及び検出効率が悪く、それを補うための回路部分の構成が複雑になりがちである欠点があった。
【０００６】
一方、ＰＺＴ系セラミックスの場合、水晶と反対に、電気機械結合係数が大きいため、駆動検出回路の規模を小さいものにしても所定の感度を得られるという利点があるものの、一般的に温度特性が悪く、高精度な振動ジャイロが得られ難いという欠点があった。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６０−７３４１４号公報
【特許文献２】特開昭６２−１８８９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、圧電振動ジャイロ用振動子としてこれまで提案され、実用化されている既存の圧電材料の場合、多かれ少なかれ欠点を有しており、その欠点が圧電振動ジャイロを小型・安価で、かつ高性能に作製することを困難にしているという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、既存のものよりも一層小型化して高性能で安価な圧電振動ジャイロを作製し得る圧電材料を用いた圧電振動ジャイロ用振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、交流電圧を印加することで所定の方向に振動させることが可能な駆動電極と、その振動の方向に対して垂直な方向の振動を電気的に検出可能な位置に配備された検出電極とを備えた圧電材料からなる圧電振動ジャイロ用振動子において、その圧電材料はニオブ酸リチウムカリウム単結晶である圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の場合、振動子の圧電材料にニオブ酸リチウムカリウム単結晶を用いているため、電気機械結合係数が高く、効率の良さから、小さい回路規模で圧電振動ジャイロを構成することができると共に、ＰＺＴ系セラミクスを用いた場合と比較し、温度変化に伴う特性の変化が少なく安定で高精度な圧電振動ジャイロを構成することができる。即ち、本発明の構成とすることにより、小形で安価で、かつ高精度な圧電振動ジャイロを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る圧電振動ジャイロ用振動子は、交流電圧を印加することで所定の方向に振動させることが可能な駆動電極、及びその振動の方向に対して垂直な方向の振動を電気的に検出可能な位置に配備された検出電極を備えた圧電材料からなるものにおいて、その圧電材料をニオブ酸リチウムカリウム単結晶とするものである。
【００１３】
各構成元素の割合は、最終的にタングステンブロンズ型構造の単結晶が育成可能である限り、特に限定されない。しかし、ニオブ酸リチウムカリウム単結晶を製造する際には、酸化リチウム、酸化カリウムおよび五酸化ニオブの割合は、それぞれ、１７〜２７ｍｏｌ％、２８〜３２ｍｏｌ％、４３〜５３ｍｏｌ％とすることが好ましい。
【実施例】
【００１４】
以下に本発明の実施例を詳細に説明する。図１に、本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の一実施例の基本構成を外観斜視図で示す。また、図１に示す圧電振動ジャイロ用振動子のＡ−Ａ’断面図を図２に、Ｂ−Ｂ’断面図を図３に示す。なお、振動子の方向を便宜上方向１（Ｘ軸）、２（Ｙ軸）、３（Ｚ軸）で定義している。また、図４に、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用振動子を駆動して振動励起させたときの図２に対応する屈曲振動状態を示す。また、図５は、本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用振動子の図４の屈曲振動状態にあって角速度が所定の方向に加えられることで新たに励起される図３に対応する検出用屈曲振動状態を示す。
【００１５】
図１に示すように、この振動子４には、Ｙ軸方向を長さ方向として延びた四角柱状の圧電体５の表面に対し、四角形の電極６，７，８，９を各面に設けると共に、電極６，８が設けられた面の、電極６と電極８との近傍にそれぞれ長さ方向に平行に延びるように一対の帯状電極１０，１１と一対の帯状電極１２，１３とが設けられている。
【００１６】
圧電体５に使用するニオブ酸リチウムカリウム単結晶Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５は、Ｋ２Ｏ：Ｌｉ２Ｏ：Ｎｂ２Ｏ５＝３０：２０：５０（ｍｏｌ％）の配合比近傍で育成可能なタングステンブロンズ型構造を有する酸化物である。特に強誘電性が高い特徴を有し、電気機械結合係数ｋ３３は５０％を越える。結晶は正方晶の４ｍｍ点群に属するため、屈曲振動子と利用する場合は、ｋ３１及びｋ３２（いずれも２０％を越える）を利用するのが好ましい。ｋ３１及びｋ３２を利用するため、振動子の長手方向２に結晶のＸ軸もしくはＹ軸、方向３には結晶のＺ軸を配置させた。
【００１７】
図２において、電極７及び電極９は電気的に接続し接地電極とし、電極６は駆動用電極として用いる。尚、図２中の記号Ｐは分極方向を示す。ここで電極６と、電極７及び電極９との間に交流電圧を印加すると、点線矢印で示す電界によって、断面上部において、電界の大きさに応じた歪みが方向２の向きに発生する。断面下部には電界が生じないため歪みも生じない。よって、図４で示す方向にノード１４及びノード１５を有する１波長の屈曲振動を励起させることができる。なお、自助発振にて安定で、かつ変位を大きく屈曲振動させるためには、電極８は自励発振用のフィードバック電極として用いる等し、前述の印加する交流電圧は、図４で示す振動モードにおける共振周波数の近傍の周波数である必要がある。
【００１８】
図４に示す屈曲振動を励起した状態で、方向２の軸と平行な軸を中心とした角速度が振動子に加わると、コリオリ力の作用により、図５に示す屈曲振動が新たに励起される。このとき図３において、方向２の向きに左右逆位相の伸縮歪みの発生により、点線方向に示す電界が左右逆位相で発生する。つまり、電極１０と電極１２には同位相の電荷が発生し、電極１１と電極１３にはそれとは逆位相の電荷が発生することとなる。従って、電極１０及び電極１２を接続した端子と、電極１１と電極１３を接続した端子との電荷発生量を比較することで加えられた角速度が算出できる。
【００１９】
図６には、本発明の振動子４の回路接続例を示す。図６に示すように、フィードバック電極８の信号を発振回路２２にて位相及びゲインを調整し、電極６に入力することで振動子を自励発振できる。一方、電極１０及び電極１２を接続した端子と、電極１１と電極１３を接続した端子とを各々オペアンプ１６及び１７の反転端子に接続し、オペアンプ１６及び１７は各々抵抗器１８及び１９にて負帰還をかけ、非反転端子は基準電位に接地し、電流検出回路を構成し、電極１０及び電極１２を接続した端子と、電極１１と電極１３を接続した端子とで発生した電流を電圧に変換する。次にそれぞれ発生した電圧を差動回路２０に接続し差動増幅した後、発振回路２２の信号を利用し検波回路２１にて同期検波する。検波信号をローパスフィルタ（ＬＰＦ）２３にて整流し、出力端子２４で、角速度に比例した直流出力電圧が得られる。
【００２０】
図７には、得られた振動ジャイロの検出感度の温度特性を示した。比較としてＰＺＴ系セラミクス及び水晶を使用した場合の検出感度の温度特性も併せて表記した。尚、駆動検出用の回路は同一のものを使用し、駆動条件及び出力の増幅率を同じとなるように条件を揃えることで、使用する圧電材料のデバイスヘの影響を比較し易くした。また同様に振動子の大きさも外観寸法が縦１ｍｍ×横１ｍｍ×長さ１５ｍｍとなるように同一に作製したものを使用した。図７に示す通り、ニオブ酸リチウムカリウム単結晶を使用した場合、検出感度が水晶を用いた場合より８倍程度高く、ＰＺＴ系セラミクスを用いた場合よりも温度変化が半分以下となることが分かる。
【００２１】
この実施例に係る圧電振動ジャイロ用振動子では、振動子の形状として正四角柱状圧電体を例示してニオブ酸リチウムカリウム単結晶を用いた場合の優位性を説明したが、圧電振動ジャイロの原理上、例えば振動子の形状をその他の多角形柱状の音片形圧電体としたり、或いは音叉形圧電体にしても、ニオブ酸リチウムカリウム単結晶を用いれば、その形状の変更に左右されず他の圧電材料を用いたときよりも、小型で高性能に作製できるという上記と同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用振動子の基本構成を示した外観斜視図。
【図２】図１に示す圧電振動ジャイロ用振動子のＡ−Ａ’断面図。
【図３】図１に示す圧電振動ジャイロ用振動子のＢ−Ｂ’断面図。
【図４】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用振動子を駆動して振動励起させたときの図２に対応する屈曲振動状態を示す図。
【図５】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用振動子の図４の屈曲振動状態にあって角速度が所定の方向に加えられることで新たに励起される図３に対応する検出用屈曲振動状態を示す図。
【図６】本発明の一実施例に係る圧電振動ジャイロ用振動子を用いて圧電振動ジャイロを作製する場合に適用（接続）される駆動検出回路を例示した図。
【図７】本発明の圧電振動ジャイロ及び従来の圧電振動ジャイロの感度温度特性を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
４    振動子
５    圧電体
６，７，８，９    電極
１０，１１，１２，１３    （帯状）電極
１４，１５    ノード
１６，１７    オペアンプ
１８，１９    抵抗器
２０    差動回路
２１    検波回路
２２    発振回路
２３    ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２４    出力端子
【図１】
2006105886.tif 000003
【図２】
2006105886.tif 000004
【図３】
2006105886.tif 000005
【図４】
2006105886.tif 000006
【図５】
2006105886.tif 000007
【図６】
2006105886.tif 000008
【図７】
2006105886.tif 000009