(57)【要約】 【課題】  ＬｉＮｂＯ3単結晶またはＬｉＴａＯ3単結晶の柱状体を用い、一側面のみの電極形成で、小型・安価で、耐熱性・生産性に優れた圧電振動ジャイロ用振動子を提供すること。  【解決手段】  ＬｉＮｂＯ3単結晶またはＬｉＴａＯ3単結晶の圧電体からなる複数の側面を有する柱状体であって、前記柱状体の一側面に、柱状体の長手方向と平行に３本の帯状電極を形成した圧電振動ジャイロ用の振動子１で、前記柱状体は、帯状電極を形成した面に垂直で長手方向の面に分極方向が対向するように分極した圧電単結晶からなる圧電振動ジャイロ用振動子。  【選択図】  図１
2005181271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体からなる複数の側面を有する柱状体の一側面に、柱状体の長手方向と平行に３本の帯状電極を形成した圧電振動ジャイロ用振動子において、前記柱状体は、帯状電極を形成した面に垂直で且つ長手方向に平行な面を境界として分極方向が対向するように分極した圧電単結晶からなることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子。
【請求項２】
請求項１記載の圧電振動ジャイロ用振動子において、前記圧電単結晶は、ＬｉＮｂＯ3単結晶またはＬｉＴａＯ3単結晶からな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で、特に圧電振動ジャイロに好適な振動子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】
振動子に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な振動（検出振動）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、前述のコリオリ力の作用により、検出振動が発生し、出力電圧が検出できる。この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が圧電振動ジャイロである。
【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良く利用されており、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いる。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。
【０００５】
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ヘの実装方法において、手半田付けの実装から生産性に優れるリフロー半田実装に変更されるようになり、リフロー半田実装時に２６０℃程度の温度に圧電振動ジャイロの全体が加熱されても、圧電振動ジャイロの性能や信頼性が損なわれることが無いよう、圧電振動ジャイロには耐熱性が要求され、圧電振動ジャイロに用いる振動子としては、小型・安価で、構造がより簡素で、且つ耐熱性に優れたものが必要とされる。
【０００６】
小型・安価で、構造が簡素な圧電振動ジャイロに用いる振動子としては、柱状圧電素子の一つの平面に駆動振動用と検出振動用の３本の電極を構成した先行文献がある。（例えば、特許文献１参照）図４には、この先行文献１に提案されている簡素な振動子構造を特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子を示す。図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は断面図である。
【０００７】
図４で、振動子２１は、圧電セラミクスからなる柱状体２５の一側面に、駆動電極２３と検出電極２２及び２４を備え、図４（ｂ）の断面図に示す矢印方向に予め分極処理することで、電極形成面に垂直な面内方向の屈曲の駆動振動の励振と、柱状圧電素子の長軸中心の角速度の検出を可能とし、圧電振動ジャイロ用振動子としての機能を満たすものである。一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、格段に生産性が優れる。
【０００８】
しかしながら、圧電振動ジャイロの振動子として用いる圧電セラミックスのキュリー温度は３００℃程度で、リフロー半田実装工程で２６０℃の温度にさらされると振動子の分極が劣化し、その結果、圧電振動ジャイロの性能や信頼性が低下するという問題点がある。
【０００９】
また、耐熱性に優れる振動ジャイロ用振動子としては、キュリー温度が約１４００℃のＬｉＮｂＯ3単結晶板またはキュリー温度が約８７０℃のＬｉＴａＯ3単結晶板を振動ジャイロ用振動子として用いる先行文献がある。（例えば、特許文献２参照）図５には、この先行文献２に提案されている耐熱性に優れる振動ジャイロ用振動子を示す。図５（ａ）はその斜視図、図５（ｂ）は断面図である。この振動子３１は厚み方向に対向して分極された単結晶板３５からなり、一方主面に分割電極３２及び３４を備え、他方主面に電極３３を備えることで、図５（ｂ）の断面図に示す矢印方向に予め分極処理することで、電極形成面に垂直な面内方向の屈曲の駆動振動の励振と、単結晶板の長軸中心の角速度の検出を可能とし、圧電振動ジャイロ用振動子としての機能を満たすものである。
【００１０】
ＬｉＮｂＯ3単結晶板またはＬｉＴａＯ3単結晶板を用いれば、３００℃程度の高温にさらされても分極劣化がないので、圧電振動ジャイロとして耐熱性に優れ、更に、これらの単結晶板は焦電効果を利用して分極反転ができるので、生産性にも優れるが、図５に示す振動子の構造は、電極を二側面に設ける必要があるため、図４に示す振動子構造と比較し生産性に劣るという問題点がある。
【００１１】
そこで、耐熱性に優れるＬｉＮｂＯ3単結晶等を用いて、図４に示す振動子の構造の実現性を以下に検討した。
【００１２】
図６は、ＬｉＮｂＯ3単結晶Ｚカット板を利用し、結晶のＸ軸を柱状振動子の長手方向にとった場合の柱状振動子構造の断面図である。ＬｉＮｂＯ3単結晶は三方晶３ｍ点群の結晶構造をとり、方位によって弾性定数に異方性を有することと、電気機械結合係数ｋ21（Ｙ方向の電界によるＸ方向の歪の効率）の存在により、図６に示すような構造では、駆動電極３’と検出電極２’、検出電極４’の間に交流電圧を印加することでＬｉＮｂＯ3単結晶体５’を屈曲振動させることはできるが、振動子を真っ直ぐ理想的に屈曲振動させることができず、検出信号の回路的処理が煩雑となるので、圧電振動ジャイロ用振動子の実現性が困難である。
【００１３】
また、図７は、ＬｉＮｂＯ3単結晶Ｚカット板を利用し、結晶のＸ軸を柱状振動子の長手方向と垂直にとった場合の柱状振動子構造の断面図である。この場合、弾性定数の異方性が振動子断面で左右対称となり、駆動電極３”と検出電極２”、検出電極４”の間に交流電圧を印加することでＬｉＮｂＯ3単結晶体５”を真っ直ぐ屈曲振動させることができるが、ＬｉＮｂＯ3単結晶は、結晶のＸ軸方向の電界による歪は発生しないので、Ｘ軸を中心に回転させた電気機械結合係数ｋ’23（回転後のＹ軸方向の電界によるＺ軸方向の歪の効率）の大きい結晶を用いても、柱状振動子の長さ方向に屈曲振動させることができないので、圧電振動ジャイロ用振動子の実現性が無い。
【００１４】
図６と図７で、ＬｉＮｂＯ3単結晶を用いた場合で説明したが、結晶構造が同一のＬｉＴａＯ3単結晶についても同様で、前述のように、ＬｉＮｂＯ3単結晶やＬｉＴａＯ3単結晶柱状体の一側面のみに電極を構成し、圧電振動ジャイロ用振動子を実現することは困難である。
【００１５】
【特許文献１】特許第３１２２９２５号  公報
【特許文献２】特許第３０００８９１号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の課題は、前述した課題を解決し、ＬｉＮｂＯ3単結晶またはＬｉＴａＯ3単結晶の柱状体を用い、一側面のみの電極形成で済む振動子構造を考案し、小型・安価で、耐熱性・生産性に優れ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】
【００１７】
本発明によれば、圧電体からなる複数の側面を有する柱状体の一側面に、柱状体の長手方向と平行に３本の帯状電極を形成した圧電振動ジャイロ用振動子において、前記柱状体は、帯状電極を形成した面に垂直で且つ長手方向に平行な面を境界として分極方向が対向するように分極した圧電単結晶からなることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。また、本発明によれば圧電振動ジャイロ用振動子において、圧電単結晶は、ＬｉＮｂＯ3単結晶またはＬｉＴａＯ3単結晶からなることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明における圧電振動ジャイロ用柱状振動子によれば、ＬｉＮｂＯ3単結晶またはＬｉＴａＯ3単結晶を用い、半田リフロー実装の際にジャイロ本体が高温にさらされても、性能劣化が無く、また、一側面のみに電極を形成することで振動子を構成できるため、電極形成や組み立て時の入出力配線等が容易で生産性が改善され、小型・安価で、耐熱性に優れた圧電振動ジャイロ用振動子を得ることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子の実施の形態を、以下に実施例で詳細に説明する。
【実施例】
【００２０】
市販の厚さが１ｍｍで、分極が厚さ方向のＬｉＮｂＯ3単結晶板を、キュリー温度付近で熱処理し、焦電効果によるものと考えられるメカニズムによって分極軸が板厚方向の＋Ｃ面側から反転し、板厚のほぼ中央で反転が止まる現象を利用し、分極方向が対向するように分極した。尚、分極軸は単結晶板の厚みに対し垂直でなくとも、この分極反転現象が生じるため、屈曲振動モードを用いる場合は、電気機械結合係数ｋ’23が最も大きいカット角１４０°回転Ｙ板を使用するのが好ましい。
【００２１】
図１は、本発明の実施例における圧電振動ジャイロ用振動子を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は長さ方向に直交する断面図である。図１の圧電振動ジャイロ用振動子１は、前記分極反転したＬｉＮｂＯ3単結晶板から切り出したＬｉＮｂＯ3単結晶体５の断面四角形の寸法１ｍｍ×１ｍｍ×１５ｍｍの柱状体であり、柱状体の１つの切り出し面に、駆動振動を励起するための駆動電極３、検出振動を検出するための検出電極２及び４を形成した。また、柱状体は、予め、図１中に点線で示した、電極形成面に垂直な長手方向面に対向して分極方向が対向するように分極されている。図１中の矢印は、１４０°回転Ｙ板を使用した場合の分極の方向を示した。
【００２２】
ここで、柱状体の一次屈曲振動モードの共振周波数の２７ｋＨｚで電圧２Ｖの交流駆動電圧を駆動電極３と検出電極２及び４に印加すると、駆動電極３と検出電極２の近傍と駆動電極３と検出電極４の近傍では同位相の伸縮が生じ、電極直下近傍の柱状体が伸縮するので、柱状体全体では長さ方向で一次の屈曲振動を励振することができる。柱状体の一次屈曲振動モードのモデルを図２に示した。
【００２３】
また、検出電極２と駆動電極３に同様に交流電圧を印加すると、駆動電極３と検出電極２の近傍と駆動電極３と検出電極４の近傍では逆位相の伸縮が生じ、前述の電圧を駆動電極３と検出電極２及び４に印加した時の振動とは直行する方向に屈曲振動する。本実施例の振動子構成が２つの直交する方向の振動の励振と検出が可能であり、圧電振動ジャイロ用振動子を実現できる。
【００２４】
図３は、本実施例による圧電振動ジャイロの回路構成を示したブロック図である。ジャイロとしての機能を以下に説明する。検出電極２及び４は、各々オペアンプ６及び７の反転端子に接続し、オペアンプ６及び７は、抵抗８及び９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する。尚、検出電極２及び４の電位は、オペアンプ６及び７の仮想接地機能により、基準電位に固定されることになる。駆動電極３と検出電極２及び４間に屈曲振動モードの共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、電極下近傍において駆動電極３−検出電極２と駆動電極３−検出電極４近傍では同位相の伸縮がｋ’23の効果により生じ、屈曲振動（駆動振動）が可能となると同時に、検出電極２及び４から、それぞれ同位相の電流が検出される。この状態で圧電振動ジャイロ用振動子を長軸方向を中心に回転すると、コリオリ力で屈曲駆動振動と直行方向の屈曲振動（検出振動）が励起される。
【００２５】
検出電極２及び４から得られる出力電流は、オペアンプ６及び７により電圧に変換され、駆動振動で得られる出力電圧成分は、加算回路で分離でき、検出振動で得られる出力電圧成分は、差動回路で分離取り出すことができるため、オペアンプ６及び７の出力端子はそれぞれ加算回路１０と差動回路１２に接続し、加算回路１０の出力端子は、発振回路１１を経由後、駆動電極３にフィードバックすることで、安定に振動子１を自励発振させることがでる。また、差動回路１２の出力は、加算回路１０の出力信号のタイミングで検波される同期の検波回路１３経由後、ローパスフィルタ１４で整流することで、角速度に比例した直流電圧を得ることができる。すなわち、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子は、前述の通り簡素な回路に接続することでジャイロとして機能することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例における圧電振動ジャイロ用振動子を示す図。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は長さ方向に直交する断面図。
【図２】柱状体の一次屈曲振動モードのモデルを示す図。
【図３】実施例における圧電振動ジャイロの回路接続例を示すブロック図。
【図４】先行文献１に提案されている圧電振動ジャイロ用振動子を示す図。図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は断面図。
【図５】先行文献２に提案されている圧電振動ジャイロ用振動子を示す図。図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は断面図。
【図６】従来の問題点を説明するための振動子の断面図。
【図７】従来の問題点を説明するための振動子の断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１    振動子
２，２’，２”，４，４’，４”    検出電極
３，３’，３”    駆動電極
５，５’，５”    ＬｉＮｂＯ3単結晶体またはＬｉＴａＯ3単結晶体
６，７    オペアンプ
８，９    抵抗
１０    加算回路
１１    発振回路
１２    差動回路
１３    検波回路
１４    ローパスフィルタ
２１    振動子
２２，２４    検出電極    
２３    駆動電極
２５    圧電セラミクスからなる柱状体
３１    振動子
３２，３４    分割電極
３３    電極
３５    単結晶板
【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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