(57)【要約】 【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、量産性に優れる圧電振動ジャイロを提供する。【解決手段】  平行に配置されたアーム２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂとこのアーム２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂに接続するベース１とが一体に形成された圧電単結晶からなるＨ形振動子を用いる圧電振動ジャイロであって、アーム２ａ，２ｂに駆動電極５，６、アーム３ａ，３ｂに検出電極が施され、Ｈ形振動子の主面と平行で、かつアーム２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ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、アーム２ａ、２ｂの音叉振動とアーム２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの音叉振動と直交した面外振動を励振および検出するよう構成する。【選択図】  図１
2006105710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に配置された第１、第２、第３および第４のアームと前記アームと接続するベースとが一体に形成された圧電単結晶からなり、前記第１および第２のアームに音叉振動用電極、前記第３および第４のアームに面外振動用電極が施されたＨ形振動子を用いる圧電振動ジャイロであって、前記第１および第２のアームには、前記第１および第２のアームの軸を含む平面に平行な面である主面を幅方向に３分割する帯状電極が長手方向と平行に形成され、前記第３および第４のアームには、前記第３および第４のアームの軸を含む平面に平行な面である主面を幅方向に２分割する帯状電極が長手方向と平行に形成されており、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、前記第１および第２のアームの音叉振動と前記第１、第２、第３および第４のアームの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圧電振動ジャイロ。
【請求項２】
前記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記載の圧電振動ジャイロ。
【請求項３】
前記圧電単結晶は、ＬｉＴａＯ3であり、前記主面は、前記圧電単結晶のＸカット面であり、且つ、前記Ｈ形振動子の長手方向は、前記圧電単結晶の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または２記載の圧電振動ジャイロ。
【請求項４】
前記圧電単結晶は、ＬｉＮｂＯ3であり、前記主面は、前記圧電単結晶のＸカット面であり、且つ、前記Ｈ形振動子の長手方向は、前記圧電単結晶の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または２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、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に関し、特に圧電振動ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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である。
【０００３】
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。
【０００４】
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付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。
【０００５】
簡素な振動子の構造としては、既に本出願人によって提案されている先行技術がある（例えば、特許文献１参照）。図８は、その圧電振動ジャイロの振動子の構造を示す説明図であり、図８（ａ）が斜視図、図８（ｂ）が断面図である。図８（ａ）に示すように、圧電セラミクスからなる柱状体５０の１側面に、駆動電極５２と検出電極５１および５３を備え、図８（ｂ）に示す矢印方向に分極処理することで、この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。この例では、１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。
【０００６】
同様に簡素な振動子の構造としては、振動子および電極構成が図８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先行技術がある（例えば、特許文献２参照）。図９は、その圧電振動子の構造を示す斜視図である。図９に示すように、圧電セラミクスからなる柱状体３０１の１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。この例では、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。
【０００７】
また、簡素な音叉形振動子の構造としては、既に本出願人によって提案されている先行技術がある（例えば、特許文献３参照）。図１０は、その圧電振動ジャイロの振動子の構造を示す斜視図である。図１０に示すように、ＰＺＴ等の圧電セラミクスからなる音叉型の圧電振動子２０７の１側面２００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、２０３、２０４、２０６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には、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。この例では、１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および特許文献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。
【０００８】
また、耐熱性に優れ、振動子の支持が容易な構成としては、振動子に単結晶を用いてＨ形構成とした先行技術がある（例えば、特許文献４参照）。図１１は、そのＨ形圧電振動ジャイロの振動子の構造を示す斜視図である。図１１に示すように、この構成では、ＬｉＴａＯ３圧電単結晶のＸ軸１３０°回転Ｙ板の音叉振動子を２つ接続し、Ｈ形振動子７０を構成している。上部アーム７２には音叉振動を駆動するための電極が配置され、下部アーム７３には、音叉振動と直交した方向に上下のアームが振動する面外モードを検出するための電極が配置されている。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、対称な構成により不要な漏れ出力が少なく、高安定化が実現できる。さらに、ＬｉＴａＯ３の材料特性により高感度化が実現できる。
【０００９】
【特許文献１】特許第３１２２９２５号公報
【特許文献２】特開平１１−８３４９５号公報
【特許文献３】特開平９−１２６７８３号公報
【特許文献４】特開平１０−３８５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１および特許文献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。
【００１１】
また、特許文献３の構成では、上記先行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、音叉振動の支持は、比較的容易であるが、面外振動では、振動子のベース部に回転が生じ、その支持が難しい。結果として複雑な支持構造や大きな支持構造が必要となる。
【００１２】
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、特許文献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。
【００１３】
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、量産性に優れる圧電振動ジャイロを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、振動子形状は、支持が容易で共振周波数を低く設計できるＨ形を選び、振動子材料には、キュリー点が高く、結合係数の大きいＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３圧電単結晶を選んだ。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した。
【００１５】
表１は、本発明の圧電振動ジャイロにおける結晶方位の利点を説明するための表である。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６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（Ｘ軸１４０°回転Ｙ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。
【００１６】
【表１】
2006105710.tif 000003
【００１７】
この解析モデルの寸法は、全長が１３ｍｍ、厚さがｌｍｍ、ベース１の幅が３ｍｍ、ベース１、アーム２ａおよび２ｂの長さが６．５ｍｍ、アーム２ａおよび２ｂの幅がｌｍｍ、音叉（面内）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７に、これらの結晶軸を示した。なお、表１において、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２ａおよび２ｂやベース１の表面全体の４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１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１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。また、音叉形振動子ではベース部が回転し支持が難しい面外振動モードを振動子の形状をＨ形とすることで上下のアームがバランスし、ベース部の回転運動を抑え、ベース部での支持を容易にすることができる。したがって、簡素な支持構成で振動子を実装することができ、小型化に適している。
【００１８】
請求項１に記載の発明は、平行に配置された第１、第２、第３および第４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のアームに音叉振動用電極、前記第３および第４のアームに面外振動用電極が施されたＨ形振動子を用いるＨ形圧電振動ジャイロであって、前記第１および第２のアームには、前記第１および第２のアームの主面を幅方向に３分割する帯状電極が長手方向と平行に形成され、前記第３および第４のアームには、前記第３および第４のアームの主面を幅方向に２分割する帯状電極が長手方向と平行に形成されており、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、前記第１および第２のアームの音叉振動と前記第１、第２、第３および第４のアームの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Ｈ形圧電振動ジャイロである。
【００１９】
これによれば、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、１面のみの電極構成で、音叉振動と面外振動を励振および検出することができる。また、素子形状および電極形状の対称性が高く、さらに、上下のアームで駆動電極と検出電極が分離されているため、検出電極には、不要な漏れ出力の発生が少なく、高安定な圧電ジャイロを実現できる。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明は、前記圧電単結晶からなる前記Ｈ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Ｈ形圧電振動ジャイロである。
【００２１】
これによれば、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、１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。
【００２２】
また、請求項３に記載の発明は、前記Ｈ形振動子は、ＬｉＴａＯ３圧電単結晶で形成され、前記Ｈ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Ｈ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上記のＨ形圧電振動ジャイロである。
【００２３】
これによれば、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。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、前記Ｈ形振動子は、ＬｉＮｂＯ３圧電単結晶で形成され、前記Ｈ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Ｈ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上記のＨ形圧電振動ジャイロである。
【００２５】
これによれば、請求項３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。
【発明の効果】
【００２６】
以上の手段を用いる本発明によれば、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１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。さらに、対称性の良い振動子形状、電極形状とすることで、不要な漏れ結合を抑圧し高安定化を実現することが可能となる。
【００２７】
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が高く、小形化に適した安価で高安定な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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明による音叉形圧電振動ジャイロ（Ｈ形圧電振動ジャイロ）の実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
まず、本発明のＨ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４は、本発明の圧電振動ジャイロで使用する振動モードを示す斜視図である。図４に示すようなＨ形の圧電体に、図４（ａ）および図４（ｂ）の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Ｈ形圧電振動子を構成する。図４（ａ）に示した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、図４（ｂ）に示した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。
【００３０】
図１、図２および図３を用いて本発明の一実施の形態を説明する。図１は、本発明のＨ形振動子の斜視図を示したものである。図１に示すように、平行で左右対称に配置された２本のアーム２ａおよび２ｂとそれらを接続したベース１があり、さらに、２本のアーム３ａおよび３ｂが上下対称になるようにベース１に接続され、圧電体を形成している。アームおよびベースの長さは２ｍｍ、アームの幅、振動子の厚さおよびアームのスリット幅は０．２ｍｍである。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４０ｋＨｚである。アーム２ａの主面（アーム２ａ，２ｂの軸を含む平面に平行な面）には、アーム２ａの長手方向と平行に駆動電極５とその左右に基準電位電極８ａおよび８ｂを配置している。同様に、アーム２ｂの主面には、駆動電極６とその左右に基準電位電極８ｃおよび８ｄを配置している。また、アーム３ａおよび３ｂの主面には、それぞれアームの幅を２分割する帯状電極がアームの長手方向と平行に形成されており、アームの内側には、検出電極７ａおよび７ｂ、外側には、基準電位電極８ｅおよび８ｆを配置している。なお、電極寸法は、長さが２．２ｍｍ、駆動電極幅が０．１２ｍｍ、検出電極および基準電位電極幅が０．０２ｍｍである。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。
【００３１】
図２は、本発明の圧電振動ジャイロにおけるＨ形振動子の断面図を示したものである。駆動電極６と基準電位電極８ｃおよび８ｄの間に駆動電圧を印加することで、図２（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、アームの幅方向に関して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と基準電位電極８ａおよび８ｂ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。
【００３２】
次に、アームの長手方向の軸に角速度を加えると、図２（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７ａおよび７ｂと基準電位電極８ｅおよび８ｆ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７ａおよび７ｂの信号は、同振幅、同位相である。
【００３３】
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。
【００３４】
表２は、本発明の実施の形態における電極配置の利点を説明するための表である。表２に本実施の形態での各電極のγの解析結果を示す。ＦＥＭ解析によって、各振動モードの共振周波数と反共振周波数を計算しγを求めた。ただし、ここでは、素子表面および外部への信号の取り出し等による配線の浮遊容量は考慮していない。
【００３５】
【表２】
2006105710.tif 000004
【００３６】
表２の結果から明らかなように、駆動電極と上部アームの音叉振動モード、検出電極と面外振動モードについては、大きな結合を持っているが、それ以外の不要な結合は、非常に小さく無視できるレベルにあることが分かる。この理由は、図５の電荷分布の概略図から明らかである。図５は、各振動モードでの発生電荷が集中する位置と極性を「＋」および「−」の記号で示している。図５（ａ）は、上部アームの音叉振動モードでの電荷分布を示している。駆動電極は、ほぼこの分布に沿って配置されており、検出電極が配置されている位置には、電荷が分布していないのがわかる。同様に、図５（ｂ）は、面外振動モードの電荷分布を示している。検出電極は、下部アームに発生するこの電荷分布に沿って配置されており、駆動電極が配置されている位置に電荷は分布していない。また、上部アームに分布している電荷は、基準電位電極内で正と負がキャンセルされ、駆動電極に影響を与えない。図５（ｃ）も同様に下部アームの音叉振動モードの電荷分布を示している。駆動電極が配置されている位置に電荷が分布しておらず、駆動電極によって、下部アームの音叉振動モードが励振されないことが分かる。また、仮に下部アームの音叉振動モードが発生しても検出電極７ａと７ｂには、逆極性の電荷が発生するため、キャンセルされ出力に表れないことが分かる。さらに、このＨ形振動子の構成では、駆動電極と検出電極が上下のアームに隔てられて配置されており、静電的結合が小さく、また、対称性の良いＨ形形状では音叉振動モードと面外振動モードの機械的結合も小さい特徴がある。このように、本発明の構成では、検出電極に生じる不要な漏れ出力を大幅に抑制できる構成であり、安定なジャイロ出力を得ることが可能である。ただし、本実施の形態では、上部アームと下部アームで電極配置が異なるため、上部アームと下部アームの音叉振動モードがそれぞれ独立に存在させることができているが、極端にベース部が短い条件では、上部アームと下部アームの音叉振動モードが結合してしまう可能性があるため、ベース部の長さは、ある一定以上の長さが必要である。
【００３７】
図３は、本発明の圧電振動ジャイロにおける回路構成を示すブロック図である。図３に示すように、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、上部アームの音叉振動モードを励振する。検出電極７ａおよび７ｂには、オペアンプ１１と抵抗器１３で構成させる電流検出回路が接続されている。下部アームには音叉振動がほぼ存在しないうえ、仮に音叉振動成分があったとしても、検出電極７ａと７ｂに発生する信号は、互いに逆位相であり、キャンセルされる。したがって、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、角速度に比例した直流電圧となる。また、自励発振回路１０２から出力された信号は、同期検波回路１０３の参照信号としても利用される。
【００３８】
すなわち、本発明によるＨ形圧電振動ジャイロは、１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。
【００３９】
以上より、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１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。また、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。さらに、対称性の良いＨ形素子構成により不要な漏れ出力が検出電極に生じることが無いだけでなく、面外振動モードのベース部の回転を抑圧することができ支持が容易である。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、安価で高安定な耐熱性に優れる圧電振動ジャイロを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の圧電振動ジャイロにおけるＨ形振動子の構造を示す斜視図。
【図２】本発明の圧電振動ジャイロにおけるＨ形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２（ａ）は、音叉振動モードの駆動方法を示す断面図。図２（ｂ）は、面外振動モードの検出方法を示す断面図。
【図３】本発明の圧電振動ジャイロにおける回路構成を示すブロック図。
【図４】本発明の圧電振動ジャイロで使用する振動モードを示す斜視図。図４（ａ）は、上部アーム音叉振動モードを示す斜視図。図４（ｂ）は、面外振動モードを示す斜視図。図４（ｃ）は、下部アーム音叉振動モードを示す斜視図。
【図５】本発明の圧電振動ジャイロにおける各振動モードにおける電荷分布の概略を示す図。図５（ａ）は、上部アーム音叉振動モードを示す図。図５（ｂ）は、面外振動モードを示す図。図５（ｃ）は、下部アーム音叉振動モードを示す図。
【図６】表１のＦＥＭ解析結果を説明するためのモデルを示す図。
【図７】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７（ａ）は、Ｘ軸５０°回転Ｘ板の場合を示す図。図７（ｂ）は、Ｘ軸５０°回転Ｚ板の場合を示す図。
【図８】従来の圧電振動ジャイロにおける振動子の構造を示す説明図。図８（ａ）は、斜視図。図８（ｂ）は、断面図。
【図９】従来の圧電振動子の構造を示す斜視図。
【図１０】従来の他の例の圧電振動ジャイロにおける振動子の構造を示す斜視図。
【図１１】従来のさらに他の例の圧電振動ジャイロにおける振動子の構造を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４１】
１    べ−ス
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ    アーム
５，６    駆動電極
７ａ，７ｂ    検出電極
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ    基準電位電極
１１    オペアンプ
１３    抵抗器
５０    柱状体
５１，５３    検出電極
５２    駆動電極
７０    Ｈ形振動子
７１    ベース
７２    上部アーム
７３    下部アーム
７４    スリット
１００    移相回路
１０２    自励発振回路
１０３    同期検波回路
１０４    ローパスフィルタ
２００    側面
２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６    帯状電極
２０７    圧電振動子
２０８    ランド
３０１    柱状体
３０２，３０４    検出電極
３０３    駆動電極
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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