(57)【要約】【課題】  環境破壊を防止でき、高感度で出力と感度の温度安定性が優れた振動体及び振動ジャイロを提供することである。【解決手段】  本発明の振動体は、基部と、この基部から延出する少なくとも２本の腕部と、これらの腕部を屈曲振動させるために前記腕部の主面上または側面上に設けられた駆動用圧電振動素子及び駆動用電極と、前記駆動用圧電振動素子によって励振される前記屈曲振動の面内方向と直交する振動を検出する検出用圧電振動素子及び検出用電極と、を有する振動体であり、前記駆動用圧電振動素子及び前記検出用圧電振動素子は、結晶粒子が異方性を有するビスマス層状構造強誘電体であることを特徴とする。【選択図】  図２
2007071757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
この基部から延出する少なくとも２本の腕部と、
これらの腕部を屈曲振動させるために前記腕部の主面上または側面上に設けられた駆動用圧電振動素子及び駆動用電極と、
前記駆動用圧電振動素子によって励振される前記屈曲振動と直交する振動を検出する検出用圧電振動素子及び検出用電極と、
を有する振動体において、
前記駆動用圧電振動素子及び前記検出用圧電振動素子は、それぞれ結晶粒子が異方性を有するビスマス層状構造強誘電体であることを特徴とする振動体。
【請求項２】
前記結晶粒子は、少なくとも１つの軸が同一方向に向くように略整列した状態を有することを特徴とする請求項１に記載の振動体。
【請求項３】
前記駆動用圧電振動素子において、前記結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をＸ線回折法で測定したときの最も強いピーク強度Ｉ０と、前記駆動用電極と平行する面で前記Ｉ０と同じ角度２θにおけるピーク強度ＩＤとの比ＩＤ／Ｉ０が、１．０より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の振動体。
【請求項４】
前記検出用圧電振動素子において、前記結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をＸ線回折法で測定したときの最も強いピーク強度Ｉ０と、前記検出用電極と直交する面で前記Ｉ０と同じ角度２θにおけるピーク強度ＩＳとの比ＩＳ／Ｉ０が、１．０より小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の振動体。
【請求項５】
前記駆動用圧電振動素子において、前記結晶粒子はランダムに存在する状態より前記駆動用電極に対して垂直方向でｃ軸方向に多く配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体。
【請求項６】
前記検出用圧電振動素子において、前記結晶粒子はランダムに存在する状態より前記検出用電極に対して垂直方向でａ及びｂ軸方向に多く配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体。
【請求項７】
請求項１から６に記載の振動体を用いて、外部から印加された角速度を検出することを特徴とする振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車載用カーナビゲーションやロボット、航空機、自動車などの姿勢制御あるいはカメラの手ぶれ補正などのための回転角速度を検出するための振動体からなる振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロは、感度や分解能は光の干渉を利用したリングレートジャイロや光ファイバジャイロに比べて劣るものの、中精度の性能を持ち、構造が簡素で、部品点数を少なくできるため小型で、安価である。圧電振動ジャイロは、自動車のナビゲーション用の回転角速度センサやハンディカメラ、スチルカメラ、デジタルカメラの手振れ検出などの民生用として市場を拡大している。
【０００３】
一般的に、単一振動をしている質点が回転するときに発生するコリオリ力Ｆｃは、次のような式で示される。
Ｆｃ＝−２ｍｖΩ  
なお、ｍは振動ジャイロの質量、ｖは振動ジャイロの振動速度、Ωは振動ジャイロのＺ軸回りの角速度である。
【０００４】
そして、前記質量ｍ、振動速度ｖが既知であれば、角速度Ωを導出することが可能となる。振動ジャイロでは、コリオリ力による振動体の変位を、検出用圧電振動素子に発生する電荷で検出している。
【０００５】
図１１は、従来の音叉型の振動ジャイロの一例を示す斜視図である。振動ジャイロは、振動体１０１を含む。振動体１０１は、直方体状に基部１０２、基部１０２から同じ方向に延びる２本の腕部１０３ａ、１０３ｂとで、音叉型に形成されている。振動体１０１はたとえばシリコンなどの金属および非圧電体で構成され、その腕部の主面や側面に圧電振動素子１０４を形成する。
【０００６】
圧電振動素子１０４の主成分として鉛を含むＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３の２成分で構成されるＰＺＴ系材料やＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、Ｐｂ（Ｍｇ０．５Ｎｂ０．５）ＴｉＯ３の成分で構成される材料などで構成されている。また振動体１０１を水晶、ランガサイト系圧電体などの圧電単結晶材料で形成し、その主面および側面に電極が形成されている。
【０００７】
振動体１０１を圧電単結晶材料で形成する場合、振動体側面に電極を形成するとともに電極に対向する電極が形成されている。このような振動ジャイロでは、圧電振動素子や電極などは、腕部１０３ａ、１０３ｂの主面、側面の一部に形成、または腕部１０３ａ、１０３ｂの主面、側面の全体に形成される。
【０００８】
この振動ジャイロでは、駆動用圧電振動素子に形成された駆動用電極に駆動信号を入力することにより、腕部１０３ａ、１０３ｂが開閉するようにＹ軸方向へ屈曲振動する。この状態で、腕部１０３ａ、１０３ｂと平行なＺ軸を中心として角速度Ωが加わると、コリオリ力Ｆｃによって腕部１０３ａ、１０３ｂの振動方向が変化しＸ軸方向へ屈曲振動する。
【０００９】
この腕部１０３ａ、１０３ｂの振動方向の変化に対応した信号が、検出用電極から出力される。したがって、コリオリ力Ｆｃに対応した腕部１０３ａ、１０３ｂの振動の変化に
ともない、検出用圧電振動素子に形成された電極から出力される信号を測定することにより、角速度Ωに対応した信号を得ることができる。
【００１０】
従来の音叉型の薄膜振動ジャイロとしては、特許文献１に記載されたものが知られている。この薄膜振動ジャイロについて、図１２を用いて説明する。図１２は薄膜振動ジャイロの斜視図である。
【００１１】
図１２において、薄膜振動ジャイロの振動体２０１は２つの腕部２０２ａ，２０２ｂを備えた非圧電材からなり、腕部２０２ａ，２０２ｂの主面上にそれぞれ駆動用の薄膜圧電振動素子２０３ａ、２０３ｂを配置する。各薄膜圧電振動素子２０３ａ、２０３ｂへそれぞれ下部電極２０４ａ、２０４ｂ、上部電極２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄを配置する。
【００１２】
上部電極２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄに交流電圧を印加することにより振動体２０１が共振する。そして、主面または裏面に配置された検出用圧電振動素子に形成された電極から出力された信号を測定する。
【００１３】
薄膜圧電振動素子２０３ａ、２０３ｂおよび検出用圧電振動素子は圧電定数が大きい鉛を含むＰＺＴ系および基板上にエピタキシャル成長させた圧電単結晶薄膜などで構成されている。
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−２２７７１９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記従来の振動ジャイロを構成する振動体２０１の駆動用および検出用の圧電振動素子は、圧電単結晶材料、圧電セラミックス材料が広く応用されている。振動体２０１を構成する圧電単結晶材料は圧電セラミックス材料に比べて、生産コストが高く大量生産には向かず、また加工が困難であることから小型化に限界がある。
【００１６】
また、従来の振動体２０１を構成する圧電セラミックス材料の主成分は鉛を含む化合物であり、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３の２成分で構成されるＰＺＴ系材料やＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、Ｐｂ（Ｍｇ０．５Ｎｂ０．５）ＴｉＯ３の３成分で構成される材料などが使用されている。これらの材料は、原料全体で酸化鉛に換算して自重の６０％以上も鉛が含まれている。したがって、近年における鉛による環境破壊が問題視されていることから非鉛系圧電セラミックス材料が強く要求されている。
【００１７】
鉛系圧電セラミックス材料のほとんどは機械的品質係数Ｑが低く、駆動用圧電体材料と用いる場合には感度が低下してしまう。そこで駆動用圧電体材料の機械的品質係数Ｑを大きくすることが望ましく、また起動時間に対して材料の機械的品質係数Ｑが影響するため自由に駆動用圧電体材料の機械的品質係数Ｑを調整できると都合が良い。
【００１８】
圧電セラミックスは結晶構造相転移点が存在し、その温度になると圧電性が消滅する。鉛系圧電セラミックス材料は比較的低温に結晶構造相転移点が存在し、ＰＺＴ系材料の場合には３００℃程度であり高温で圧電性が劣化するために高温での使用に不向きである。また−２５度から＋１２５度の温度範囲で共振周波数の温度安定性が圧電単結晶材料に比べると劣り、圧電材料の材料特性の変化によって出力と感度の温度安定性が劣化してしまう。
【００１９】
本発明の目的は、環境破壊を防止でき、高感度で出力と感度の温度安定性が優れた振動
体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために本発明の振動体は、基部とこの基部から延出する少なくとも２本の腕部と、これらの腕部を屈曲振動させるために腕部の主面上または側面上に設けられた駆動用圧電振動素子及び駆動用電極と、駆動用圧電振動素子によって励振される屈曲振動と直交する振動を検出する検出用圧電振動素子及び検出用電極とを有する振動体において、駆動用圧電振動素子及び検出用圧電振動素子は、それぞれ結晶粒子が異方性を有するビスマス層状構造強誘電体であることを特徴とする。
【００２１】
この構成により、振動体の駆動用及び検出用の圧電振動素子に鉛を含まない材料を用いることができ、環境破壊を防止できる。また、結晶粒子が大きな異方性を有していることから結晶粒子を同一方向に向くように容易に整列させることができ、高感度で出力と感度の温度安定性に優れた振動体を提供できる。
【００２２】
また、結晶粒子は、少なくとも１つの軸が同一方向に向くように略整列した状態を有することを特徴とする。
【００２３】
この構成により、機械的品質係数Ｑ、電気機械結合係数ｋ、共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒを制御することができる。その結果、高感度で出力と感度の温度安定性の優れた振動体を提供することができる。
【００２４】
また、駆動用圧電振動素子において、結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をＸ線回折法で測定したときの最も強いピーク強度Ｉ０と、駆動用電極と平行する面でＩ０と同じ角度２θにおけるピーク強度ＩＤとの比ＩＤ／Ｉ０が、１．０より小さく、駆動用圧電振動素子において、結晶粒子はランダムに存在する状態より駆動用電極に対して垂直方向でｃ軸方向に多く配置されていることを特徴とする。
【００２５】
この構成により、機械的品質係数Ｑを改善することができ高感度を有する振動体を提供することができる。
【００２６】
また、検出用圧電振動素子において、結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をＸ線回折法で測定したときの最も強いピーク強度Ｉ０と、検出用電極と平行する面でＩ０と同じ角度２θにおけるピーク強度ＩＳとの比ＩＳ／Ｉ０が、１．０より小さく、検出用圧電振動素子において、結晶粒子はランダムに存在する状態より検出用電極に対して垂直方向でａ及びｂ軸方向に多く配置されていることを特徴とする。
【００２７】
この構成により、電気機械結合係数ｋ、共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒを改善することができ、出力と感度の温度安定性が優れた振動体を提供することができる。
【００２８】
上記課題を解決するために本発明の振動ジャイロは、上記した振動体を用いて外部から印加された角速度を検出することを特徴とする。この構成により、機械的品質係数Ｑ、電気機械結合係数ｋ、共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒを改善することができ、高感度で出力と感度の温度安定性が優れた振動ジャイロを提供することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、環境破壊を防止でき、機械的品質係数Ｑ、電気機械結合係数ｋ、共振周波数の温度特性を改善することができ、高感度で出力と感度の温度安定性が優れた振動体及びそれを用いた振動ジャイロを提供することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は本発明の振動体の一例を示す斜視図である。振動体１は、直方体状の基部２を含む。基部２から延出し、互いに間隔を隔てて２本の腕部３ａ，３ｂが形成される。腕部３ａ，３ｂに、それぞれ駆動用下部電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを配置する。
【００３１】
下部電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上にビスマス層状構造強誘電体で構成された駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを配置し、駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに駆動用上部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを形成する。駆動用上部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄより駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに交流電圧を印加することにより振動体１が励振され屈曲振動する。このときに励振される腕部３ａ，３ｂを開閉させる屈曲振動の方向が面内方向である。
【００３２】
図２は図１に示す本発明の振動体１の腕部３ａ，３ｂの断面図である。駆動用下部電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを配置し、駆動用下部電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの上にビスマス層状構造強誘電体で構成された駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを配置し、駆動用圧電振動体５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの上に駆動用上部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを形成する。
【００３３】
駆動用上部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、駆動用下部電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄおよび駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの対面に検出用下部電極７ａ、７ｂを配置し、検出用下部電極７ａ、７ｂの上に駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとは配向軸の方向が異なるビスマス層状構造強誘電体で構成された検出用圧電振動素子８ａ、８ｂを配置し、検出用圧電振動素子８ａ、８ｂの上に検出用上部電極９ａ、９ｂを形成する。振動体１の腕部３ｂと腕部３ａは同様な構造である。
【００３４】
ビスマス層状構造強誘電体は化学式（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−で表される。ただし、化学式中のＡはＡサイトに入る１、２、３価のイオンを示し、Ｂｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、などの希土類元素およびこれらのイオンの組み合わせを示し、化学式中のＢはＢサイトに入る４、５、６価のイオンを示し、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属元素およびこれらのイオンの組み合わせを示しｍ＝１から８の整数である。
【００３５】
これらの化合物は、大部分が強誘電体であり、種々の特徴を有するため、圧電応用上幅広く利用されている化合物である。ビスマス層状構造強誘電体は、ｍ＝２および３のもの以外は単結晶の作製が困難である。ビスマス層状構造強誘電体の特徴は大きな結晶構造の異方性を持つことである。図３にｍ＝３のビスマス層状構造強誘電体の結晶構造を示す。
【００３６】
ビスマス層状構造強誘電体は、図３のように、比較的粗な充填をした（Ｂｉ２Ｏ２）２＋層１０と、密な充填をした（ｍ−１）個の仮想ペロブスカイト格子（ＡＢＯ３）からなる擬ペロブスカイト層［（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−］１１が交互に積み重なった結晶構造１２をもち、ｍは酸素八面体の積み重なり数を表わし、全体でビスマス層状構造強誘電体の単位格子１３を表す。これらの結晶構造の大きな特長は、ａ軸の格子定数とｂ軸の格子定数はほぼ同じであるがｃ軸の格子定数とａ軸、ｂ軸の格子定数の比は非常に大きく結晶異方性を有している。
【００３７】
本発明に用いられる圧電振動素子の材料の例として、ｍ＝３のＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２においてはａ軸の格子定数は５．４６Å、ｂ軸の格子定数は５．４６Å、ｃ軸の格子定数は３２．９Åでありｃ軸がａ軸、ｂ軸のおよそ６倍である。ｍ＝５のＳｒ２Ｂｉ４Ｔｉ５Ｏ１８においてはｃ軸の格子定数は４８．８Åでありｃ軸がａ軸、ｂ軸のおよそ１０倍である。ｍが大きくなると、ｃ軸の格子定数とａ軸の格子定数の比が大きくなる傾向を示しｍ＝
２から５にたいしてｃ軸の格子定数／ａ軸の格子定数は４から１０倍程度になる。
【００３８】
駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび検出用圧電振動素子８ａ、８ｂとして用いられるビスマス層状構造強誘電体は金属元素が少なくともビスマスを含有する。
【００３９】
たとえばＣａＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９、ＢａＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９、ＣａＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＢａＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、Ｂｉ３ＴｉＮｂＯ９、Ｂｉ３ＴｉＴａＯ９、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＳｒＢｉ３Ｔｉ２ＮｂＯ１２、ＢａＢｉ３Ｔｉ２ＮｂＯ１２、ＣａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５、ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５、ＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５、Ｎａ０．５Ｂｉ４．５Ｔｉ４Ｏ１５、Ｋ０．５Ｂｉ４．５Ｔｉ４Ｏ１５、Ｃａ２Ｂｉ４Ｔｉ５Ｏ１８、Ｓｒ２Ｂｉ４Ｔｉ５Ｏ１８、Ｂａ２Ｂｉ４Ｔｉ５Ｏ１８などがある。
【００４０】
ｍが大きくなると結晶構造の異方性が大きくなりより大きな配向度Ｆが得られることからｍ＝２以上が好ましい。
【００４１】
ビスマス層状構造強誘電体は結晶異方性が大きく斜方晶でａ軸方向に大きな自発分極をもち大きな圧電特性を示す。一方、ｃ軸方向の自発分極は極めて小さいという性質を有するため、結晶がｃ軸方向に多く整列した場合、自発分極量が小さく圧電特性は小さい。
【００４２】
図４（ａ）は結晶粒子１４が無配向の状態を示す図である。図４（ｂ）は図２のＡ部拡大図であり、結晶粒子１４がｃ軸方向に配向した状態を示している。図４（ｃ）は、図２のＢ部拡大図であり、結晶粒子１４がａ軸およびｂ軸方向に配向した状態を示している。
【００４３】
結晶粒子１４とは、ビスマス層状構造強誘電体の単位格子１３がいくつか結合して形成されるかたまりである。結晶粒子１４は電子顕微鏡などで観察でき、結晶粒子１４の縦長と横長のアスペクト比が大きい形状であることを確認することができる。
【００４４】
また、配向とは、寸法異方性を有し、かつ結晶学的に異方性を有する結晶粒子１４を含む多結晶体、もしくはセラミックスにおいて、結晶粒子１４がそれらの軸が同一面内に対して全体的に整列している状態を示す。
【００４５】
図４（ａ）は普通に焼成した圧電振動素子１５を示し結晶粒子１４のそれぞれの軸方向がランダムに存在している。普通に焼成したビスマス層状構造強誘電体は無配向の状態である。無配向の状態とはａ軸、ｂ軸、ｃ軸のそれぞれの向きが同一面内でランダムに配置している状態を示す。
【００４６】
図４（ｂ）は図４（ａ）に示す無配向の圧電振動素子１５よりｃ軸方向に多くの割合で結晶粒子１４が配向した状態となっている。５ａは駆動用圧電振動素子であり、４ａ、６ａはそれぞれ下部電極、上部電極である。このように、駆動用圧電振動素子５ａの結晶粒子１４をｃ軸方向に整列した状態にすることで、機械的品質係数Ｑを改善することができ、高感度の振動体となる。
【００４７】
図４（ｃ）は図４（ａ）に示す無配向の圧電振動素子１５より結晶粒子１４が、ａ及びｂ軸方向に多くの割合で配向した状態となっている。８ａは検出用圧電振動素子であり、７ａ、９ａはそれぞれ下部電極、上部電極である。このように、駆動用圧電振動素子５ａの結晶粒子１４をａ及びｂ軸方向に整列した状態にすることで、電気機械結合係数ｋ、共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒを改善することができ、出力と感度の温度安定性が優れた振動体となる。
【００４８】
バルク状の圧電体材料を配向させる方法としてホットフォージング（ＨＦ）法、Ｔｅｍｐｌａｔｅｄ  Ｇｒａｉｎ  Ｇｒｏｗｔｈ（ＴＧＧ）法などが確立している。ＨＦ法とは、成形体を加圧しながら焼成する方法である。この方法では、配向度Ｆの高い配向セラミックが得られる。ＴＧＧ法とは、あらかじめ成形前に異方性を有するセラミック結晶粒を混合しておく方法である。
【００４９】
薄膜の圧電体材料を配向させる方法としては単結晶基板を用いてエピタキシャル成長せる方法がある。圧電特性の報告例として、ビスマス層状構造強誘電体を粒子配向することによって、３３モードにおいて電気機械結合係数ｋが通常の無配向状態の圧電振動素子の約２倍に向上することが明らかになっている。よって結晶粒子の配向方向、度合いによって特性を制御できる可能性がある。
【００５０】
駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび検出用圧電振動素子８ａ、８ｂとして用いたビスマス層状構造強誘電体セラミックスの粉末の作製方法は、次の手順で行った。出発原料の酸化ビスマス、酸化チタンおよび酸化化合物および炭酸化合物を所定量の秤量をおこない、エタノール、ジルコニアンボールと共にボールミルで、１０時間程度湿式粉砕混合し、原料を約４から５時間乾燥させ、乳鉢で１時間粉砕混合する。
【００５１】
混合した原料を金型成型し、８５０℃から９００℃で２時間程度電気炉をもちいて仮焼を行い、仮焼粉末を得た。仮焼後の粉末を、乳鉢で１時間粉砕混合し、再びエタノール、ジリコニアンボールと共にボールミルで、２０時間程度湿式粉砕混合する。混合した原料を４から６時間乾燥させ、乳鉢で１時間粉砕混合する。
【００５２】
無配向の圧電振動素子の作製方法はセラミックスの粉末を金型で４０から５０ｋｇ／ｍｍ２程度でプレス成形し、９００℃から１３００℃で２時間程度電気炉を用いて焼成を行い、バルク試料を作製する。駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび検出用圧電振動素子８ａ、８ｂの作製方法は高い配向度を得るために焼成中に一軸性の圧力を加えることにより圧縮変形させるホットフォージング法で行う。
【００５３】
ビスマス層状構造強誘電体のｃ面ですべりが起こり、最終的には圧力を加えた方向と平行にｃ軸がそろった粒子配向試料が得られる。粒子配向試料の作製は焼成中に５〜１０ｋｇ／ｍｍ２程度で一軸性の圧力を加えることにより圧縮変形させる。加える圧力を調整することにより任意の配向度の駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび検出用圧電振動素子８ａ、８ｂを作製する。作製された圧電振動素子は電極形成後に分極処理を行う。
【００５４】
駆動用下部電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、検出用下部電極７ａ、７ｂおよび駆動用上部電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、検出用上部電極９ａ、９ｂは、それぞれＡｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ等の金属を用いることができる。また、電極材料の圧電振動素子への密着性を向上する観点から、各電極を形成する前に圧電振動素子上に接着層を形成しても良い。
【００５５】
例えば、接着層としてクロムＣｒ層を形成後その全面上にＡｕ層を積層する二層構造として形成しても良い。電極の形成方法は金属ペーストの焼付けやスパッタリング法による形成などが有効である。
【００５６】
作製した駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび検出用圧電振動素子８ａ、８ｂの配向度Ｆを求めるためにＸ線回折を行った。Ｘ線はＣｕＫα放射線でＮｉフィルタを通し、２θが１０°から７０°の範囲を１ｄｅｇ／ｍｉｎで測定した。
【００５７】
結晶粒子配向度合いを示す指標としてＬｏｔｇｅｒｉｎｇ法を用いて配向度Ｆが算出される。配向度はＦ＝（Ｐ−Ｐ０）／（１−Ｐ０）×１００[％]で示され、Ｐ０は配向したときの、全てのＸ線回折パターンのピーク強度（ｈｋｌ）とｃ軸のピーク強度（００ｌ）の比を示し、Ｐは普通焼成法で作製した無配向のときの、全てのＸ線回折パターンのピーク強度（ｈｋｌ）とｃ軸のピーク強度（００ｌ）の比を示す。
【００５８】
図５は配向度Ｆを算出する際に必要となる結晶粒子がランダムに存在する無配向の状態であるビスマス層状構造強誘電体のＸ線回折パターンの一例を示す。最も強度の強いピーク強度Ｉ０１６は２θが３１°付近に存在する。
【００５９】
図６に駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに用いたｃ軸に優先配向したビスマス層状構造強誘電体のＸ線回折パターンの一例を示す。同組成の結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子をＸ線回折法で測定したときの最も強度の強いピーク強度Ｉ０１６と駆動用電極と平行する面でＩ０と同じ角度２θにおけるピーク強度ＩＤ１７との比ＩＤ／Ｉ０は１．０より小さい。得られたＸ線回折パターンより配向度ＦをＬｏｔｇｅｒｉｎｇ法で算出し配向の度合いを確認することができる。
【００６０】
図７に検出用圧電振動素子８ａ、８ｂに用いたａ及びｂ軸方向に配向したビスマス層状構造強誘電体のＸ線回折パターンの一例を示す。同組成の結晶粒子がランダムに存在する圧電振動素子Ｘ線回折法で測定したときの最も強度の強いピーク強度Ｉ０１６と検出用電極と平行する面でＩ０と同じ角度２θにおけるピーク強度ＩＳ１８との比ＩＳ／Ｉ０は１．０より小さい
【００６１】
図８は配向度Ｆと機械的品質係数Ｑの関係を示した図解図である。駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄにおいて駆動用電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと平行する面をＸ線回折法で測定した場合に、最も強いピーク強度ＩＤ１７と、前記駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと同組成の結晶がランダムに存在する圧電振動素子において最も強いピーク強度が得られる結晶面と同じ結晶面におけるピーク強度Ｉ０１６との比ＩＤ／Ｉ０が、小さくなると配向度Ｆは大きくなる。
【００６２】
図８の中心はＩＤ／Ｉ０＝１．０は無配向の状態であり配向度Ｆ＝０％を示し、無配向の状態から右側はｃ軸への配向性が大きくなり機械的品質係数Ｑは大きくなり、無配向から左側はａ及びｂ軸方向への配向性Ｆが大きくなり機械的品質係数Ｑは小さくなる。ビスマス層状構造強誘電体を用いると、従来使用されていた鉛系の材料より高い機械的品質係数Ｑが得られる。
【００６３】
このようにＩＤ／Ｉ０を１．０より小さくすることで、機械的品質係数Ｑを改善する効果があり、高感度を有する振動体となる。
【００６４】
配向度Ｆと電気機械結合係数ｋの関係は、無配向の状態から配向軸がｃ軸で配向度Ｆが大きくなり電気機械結合係数ｋは小さくなり、無配向から配向軸がａ及びｂ軸で配向度Ｆが大きくなり電気機械結合係数ｋは大きくなる。配向度が９０％程度でａ及びｂ軸に配向した圧電振動素子は、無配向状態である圧電振動素子の２倍程度の電気機械結合係数ｋを示す。
【００６５】
図９は配向軸がａ及びｂ軸の配向度Ｆと共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒの関係を示した図解図である。共振周波数の温度特性はＴＣ−ｆｒ＝Δｆｒ／（ｆｒ[２０℃]×Δｔ）[ｐｐｍ／℃]で算出され、Δｆｒは−２５℃から１２５℃の温度範囲の共振周波数変化量を示し、ｆｒ[２０℃]は２０℃での共振周波数を示し、Δｔは温度変化を示す。無配向の状態から配向方向がａ及びｂ軸で配向度Ｆが大きくなると共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆ
ｒは改善される傾向を示す。
【００６６】
このようにＩＳ／Ｉ０を１．０より小さくすることで、電気機械結合係数ｋと共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒを改善する効果があり、出力と感度の温度安定性が優れた振動体となる。
【００６７】
配向度Ｆと機械的品質係数Ｑ、電気機械結合係数ｋ、共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒの関係より、駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび検出用圧電素子８ａ、８ｂの配向度Ｆおよび配向方向を設定する。
【００６８】
駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは高感度にするためにできるだけ機械的品質係数Ｑは大きくするためにＩＤ／Ｉ０ができるだけ小さく配向度Ｆが大きいことが望ましいが、ｃ軸の配向度Ｆが大きくなると分極処理が困難になり良好な圧電性を示さず逆に機械的品質係数Ｑが劣化するので配向度Ｆが６０％程度のｃ軸方向の配向度Ｆが妥当である。
【００６９】
検出用圧電振動素子８ａ、８ｂは大きな電気機械結合係数ｋ、共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒが良好である配向がａ及びｂ軸方向でＩＳ／Ｉ０ができるだけ小さく配向度Ｆが大きいほうが好ましい。しかし配向度Ｆが高すぎると結晶粒界面でのすべりが生じて機械的強度が劣化するので配向度Ｆが８０％程度が妥当である。
【００７０】
本発明の振動体１の駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび検出用圧電振動素子８ａ、８ｂの特性の一例を示す。無配向状態の圧電振動素子の機械的品質係数Ｑは３８００であるのに対し、ＩＤ／Ｉ０は１．０より小さく、ｃ軸方向の配向度Ｆが約６０％の駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの機械的品質係数Ｑはおよそ８０００である。結晶異方性を制御することによって機械的品質係数Ｑは２倍程度改善される。
【００７１】
無配向状態の圧電振動素子の共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒはおよそ７０ｐｐｍ／℃であるのに対し、ＩＳ／Ｉ０は１．０より小さく、ａ及びｂ軸の配向度Ｆが約８０％の検出用圧電振動素子８ａ、８ｂの共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒはおよそ４０ｐｐｍ／℃である。結晶異方性を制御することによって共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒが４０％程度改善される。
【００７２】
本発明の振動ジャイロは振動体１を図１０に示すように構成する。外側の駆動用上部電極６ａ、６ｄが、電源電圧の中間点に接続され、外側の駆動用上部電極６ａ、６ｄと内側の電極６ｂ、６ｃ間に発振回路２０が接続される。発振回路２０は、たとえば増幅回路と位相補正回路とを含み、外側の駆動用上部電極６ａ、６ｄから出力される信号を増幅し、位相補正して内側の電極６ｂ、６ｃに与えられる。これにより、音叉状の２本の腕部３ａ、３ｂが開閉するようにして面内方向に屈曲振動する。
【００７３】
また、検出用電極９ａ、９ｂは、差動回路２１に接続される。差動回路２１は、たとえばオペアンプや抵抗などによって構成される。さらに、差動回路２１の出力端は、同期検波回路２２に接続される。同期検波回路２２では、たとえば発振回路２０の信号に同期して、差動回路２１の出力信号が検波される。同期検波回路２２の出力信号は、積分回路２３で直流信号に変換される。さらに、積分回路２３の出力信号は、直流増幅回路２４で増幅される。
【００７４】
本発明の振動ジャイロでは、外側の駆動用上部電極６ａ、６ｄと内側の電極６ｂ、６ｃ間に互いに逆位相の駆動信号を与えることにより、腕部３ａ、３ｂが開閉するように面内方向に振動する。ここで与えられる駆動信号は、振動体１の共振周波数に相当する信号で
ある。この駆動信号によって、駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄには、屈曲振動が生じる。
【００７５】
このとき、外側の駆動用圧電振動素子５ａ、５ｄと内側の駆動用圧電振動素子５ｂ、５ｃ間には逆向きの変位が発生する。つまり、外側か内側の一方の駆動用圧電振動素子が厚み方向に伸びるとき、他方の駆動用圧電振動素子は厚み方向に縮む。逆に、一方の駆動用圧電振動素子が厚み方向に縮むとき、他方の駆動用圧電振動素子は厚み方向に伸びる。
【００７６】
そのため、腕部３ａ，３ｂは開閉するように屈曲振動する。このとき、振動体１の２つの腕部３ａ，３ｂは、分極方向に対して同じ状態で振動するため、検出用電極９ａ、９ｂから出力される信号は同じである。そのため、差動回路２１からは、信号が出力されない。
【００７７】
振動体１の腕部３ａ，３ｂが開閉するように屈曲振動している状態で、腕部３ａ，３ｂが基部２から延出する向きのｚ軸を中心として回転角速度Ωが加わると、面内方向に直交する向きにコリオリ力Ｆｃが働く。したがって、このコリオリ力Ｆｃによって腕部３ａ，３ｂは、開閉する向きに加わる駆動力とコリオリ力Ｆｃとが合成された向きに振動する。
【００７８】
コリオリ力Ｆｃによって、腕部３ａ，３ｂは、検出用圧電振動素子８ａ、８ｂが並んだ向きに変位する。このような腕部３ａ，３ｂの変位により、一方の検出用圧電振動素子８ａが厚み方向に伸びたとき、他方の検出用圧電振動素子８ｂは厚み方向に縮む。逆に、一方の検出用圧電振動素子８ａが縮んだとき、他方の検出用圧電素子８ｂが伸びる。
【００７９】
そのため、無回転時に比べて、一方の検出用圧電振動素子８ａの出力が増加したとき、他方の検出用圧電振動素子８ｂの出力が減少する。また、無回転時に比べて、一方の検出用圧電振動素子８ａの出力が減少したとき、他方の検出用圧電振動素子８ｂの出力が増加する。したがって、差動回路２１で検出用電極９ａ、９ｂの出力信号の差をとれば、コリオリ力に対応した大きい信号を得ることができる。
【００８０】
差動回路２１の出力信号は、同期検波回路２２で、発振回路２０の信号に同期して検波される。それにより、差動回路２１の出力信号の正部分のみまたは負部分のみが検波される。同期検波回路２２の出力信号は積分回路２３で直流信号に変換され、さらに直流増幅回路２４で増幅される。
【００８１】
検出用電極９ａ、９ｂからの出力信号のレベルは、振動体１の腕部３ａ，３ｂの変位の大きさによって決まるため、大きいコリオリ力Ｆｃが働くと、主力信号のレベルは大きくなる。したがって、直流増幅回路２４の出力信号のレベルから、回転角速度Ωの大きさを検出することができる。
【００８２】
また、回転角速度Ωが加わる方向によって、振動体１の２つの腕部３ａ，３ｂにかかるコリオリ力Ｆｃの方向が変わる。そのため、２つの検出用電極９ａ、９ｂから出力される信号の位相も変わり、差動回路２１からは、回転角速度Ωの方向によって、逆位相の信号が出力される。
【００８３】
したがって、同期検波回路２２では、一方向に回転角速度Ωが加わったとき信号の正部分が検波されるとすると、他方向に回転角速度Ωが加わったとき信号の負部分が検波される。そのため、回転角速度Ωの加わる方向によって、直流増幅回路２４の出力信号の極性が変わる。つまり、直流増幅回路２４の出力信号の極性から、回転角速度の加わった方向を知ることができる。
【００８４】
ＩＤ／Ｉ０は１．０より小さく、ｃ軸方向の配向度Ｆが６０％程度の駆動用圧電振動体は、無配向状態より機械的品質係数Ｑが２倍程度向上し、図１０の回路により得られた振動ジャイロの感度は向上する。
【００８５】
ＩＳ／Ｉ０は１．０より小さく、ａ及びｂ軸方向の配向度Ｆが８０％程度の検出用圧電振動体は、無配向状態より共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒが小さくなり特性が４０％程度改善され、図１０の回路により得られた出力は温度安定性に優れている。駆動用圧電素子と前記検出用圧電素子は結晶方位面が異なることに特性を向上させる有効性が示された。
【００８６】
本発明の振動体１の駆動用圧電振動素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび検出用圧電振動素子８ａ、８ｂはスパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などで作製された薄膜で構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の振動体の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す振動体の一例における断面図である。
【図３】ビスマス層状構造強誘電体の結晶構造を示す図解図である。
【図４】(ａ)無配向、(ｂ)ｃ軸方向に配向、（ｃ）ａ及びｂ軸方向に配向した結晶粒子の分布を示す図解図である。
【図５】無配向のビスマス層状構造強誘電体のＸ線回折図の一例である。
【図６】本発明に用いた駆動用圧電振動体のＸ線回折図の一例である。
【図７】本発明に用いた検出用圧電体材料のＸ線回折図の一例である。
【図８】配向度Ｆと機械的品質係数Ｑの関係図である。
【図９】配向度Ｆと共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒの関係図である。
【図１０】図１に示す振動体を振動ジャイロとして使用するための回路を示すブロック図である。
【図１１】従来の振動ジャイロの振動体の斜視図である。
【図１２】従来の薄膜振動ジャイロの振動体の斜視図である。
【符号の説明】
【００８８】
１、１０１、２０１…振動体
２、１０２…基部
３ａ，３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ、２０２ａ、２０２ｂ…腕部
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ…駆動用下部電極
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ…駆動用圧電振動素子
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ…駆動用上部電極
７ａ、７ｂ…検出用下部電極
８ａ、８ｂ…検出用圧電振動素子
９ａ、９ｂ…検出用上部電極
１０…ビスマス層状構造強誘電体の酸化ビスマス層（Ｂｉ２Ｏ２）２＋
１１…ビスマス層状構造強誘電体の擬ペロブスカイト層［（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−］
１２…擬ペロブスカイト層交互に積み重なった結晶構造
１３…ビスマス層状構造強誘電体の単位格子
１４…ビスマス層状構造強誘電体の結晶粒子
１５…無配向状態の圧電振動素子
１６…無配向状態の圧電振動素子のＸ線回折パターンの最も強いピーク強度Ｉ０
１７…駆動用圧電振動素子のＩ０と同一結晶面でのＸ線回折パターンのピーク強度ＩＤ
１８…検出用圧電振動素子のＩ０と同一結晶面でのＸ線回折パターンのピーク強度ＩＳ
２０…発振回路
２１…差動回路
２２…同期検波回路
２３…積分回路
２４…直流増幅回路
１０４…圧電振動素子  
２０３ａ、２０３ｂ…薄膜圧電振動素子
２０４ａ、２０４ｂ…下部電極
２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ…上部電極
【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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【図１２】
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