(57)【要約】 【課題】  出力電圧の温度による変化が少ない圧電振動ジャイロ用振動子を提供することを課題とする。【解決手段】  円柱状圧電セラミックス１の内部においてヤング率の異なる領域１２を設けることによりＸ方向振動の共振周波数とＹ方向振動の共振周波数との差であるΔｆの温度特性を利用し、出力電圧の補正を行う。【選択図】  図３
2007071692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状圧電セラミックスの外周面に、少なくとも１本以上の帯状の駆動電極と、少なくとも２本以上の帯状の検出電極と、少なくとも３本以上の帯状のアース電極とを有し、前記アース電極同士は隣接しないよう配されてなる圧電振動ジャイロ用振動子であって、前記柱状圧電セラミックス内部のヤング率が部分的に偏ってい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】
前記駆動電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数と、前記検出電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数とが異なることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
【請求項３】
前記アース電極のうち、少なくとも１つが他のアース電極より長手方向寸法が短いことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
【請求項４】
前記駆動電極と対向する前記アース電極が他の前記アース電極より長手方向寸法が短いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の圧電振動ジャイロ用振動子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電振動ジャイロ用振動子を使用したことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項６】
前記駆動電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数と、前記検出電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数の差を検出して、出力電圧を補正することを特徴とする請求項５に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、柱状屈曲振動を利用した圧電振動ジャイロ用の圧電振動子に関し、特にカメラやカメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）の手振れ防止や自動車のナビゲーションシステム等に用いられるジャイロスコープ或いはジャイロセンサーに好適な圧電振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転の角速度が与えられると、その振動方向と直角な方向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャイロスコープに属する。互いに直交する二つの方向において、一方を励振側として振動可能とし、他方を出力側として出力電圧の検出を可能とした振動系において、励振側を振動させた状態で、二つの振動面が交わる線と平行な軸を中心軸として振動子自身を回転させると、前述のコリオリ力の作用により、励振側の振動方向に対して直角な方向に力が働き、出力側に振動が励振される。この出力側に励振される振動の大きさは、回転角速度に比例するため、前記出力側の圧電現象によって生じる出力電圧の大きさから、回転角速度の大きさを求めることができる。
【０００３】
図１は、従来の圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図であり、図２は、従来の圧電振動ジャイロ用振動子の中心軸に対して垂直な中央部の断面図である。図１及び図２を参照しながら従来の圧電振動ジャイロ用振動子について説明する。従来の圧電振動ジャイロ用振動子の構造は、円柱状圧電セラミックス１の外周面２の円周を６等分する位置に、円柱の中心軸９と平行な帯状の駆動電極３と、帯状の検出電極５及び７と、帯状のアース電極４、６及び８とが形成されている。さらに、アース電極４、６及び８の長手方向の両端部は、円柱状圧電セラミックス１の外周面の円周上を１周する環状電極１０及び１１で電気的に接続している。尚、図１では検出電極７とアース電極８は円柱状圧電セラミックス１の背後に隠れているため、図示しない。前記アース電極４、６及び８を共通にしている環状電極１０又は１１を共通のアースとして、前記駆動電極３と前記検出電極５と前記検出電極７の各々に、直流の電圧を印加して分極処理を施すことにより、圧電振動ジャイロ用振動子を成す。
【０００４】
前記駆動電極３に駆動信号を入力すると、図２に示すＸ方向に振動が励起される。この状態において、中心軸９を回転の軸とした回転力が働くと前記コリオリ力が発生し、図２に示すＹ方向に振動が励起される。このＹ方向の振動により生じた電圧を、検出電極５と検出電極７から取り出し、検出することで円柱状圧電セラミックス１に付与された回転角速度の大きさを知ることができる。
【０００５】
圧電振動ジャイロ用振動子に求められる性能は、回転角速度の検出感度や精度、環境に対する安定性等が挙げられる。たとえば、検出感度を上げる方法としては、検出電極の長さを駆動電極より短くして、駆動部の電気機械結合係数ｋｘと検出部の電気機械結合係数ｋｙの関係をｋｘ＞ｋｙとすることで可能とする提案がなされている。このような圧電振動ジャイロ用振動子は特許文献１に開示されている。
【０００６】
また、感度の温度特性を改善する方法としては、圧電振動ジャイロ用振動子の持つ感度の温度特性を検出回路で補正する提案や、検出回路の持つ温度特性と相殺するような回路構成で感度の温度特性を改善する提案がなされている。このような振動ジャイロは特許文献２に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３０４０８０号公報
【特許文献２】特開２０００−１７１２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の圧電振動ジャイロ用振動子は、少なからず周囲の温度変化による影響を受け、出力電圧が変動するという問題点がある。このため、前述したように、圧電振動ジャイロ用振動子が出力した電圧を回路で補正、或いは調整し、この温度変化による影響を見かけ上、低減することで、実用化している。近年、搭載されるカメラや電子機器等の小型化に伴い、ジャイロセンサーにも小型化が要求されている。しかしながら、圧電振動ジャイロ用振動子の小型化には、感度や精度の低下等の問題がある為、従来以上に、温度に対する出力電圧の変化を低減しなければならず、小型化する上での大きな問題点となっている。
【０００９】
従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、小型であっても出力電圧の温度による変化が少ない圧電振動ジャイロ用振動子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、圧電振動ジャイロ用振動子の構造を、同一の圧電セラミックス内部に、ヤング率が違う部分を存在させる構造とした。さらに、そこから得られる動的な特性の温度特性を利用することで、圧電振動ジャイロを構成したときに、出力する電圧の温度による変化を低減させたことを、その要旨とする。
【００１１】
本発明によれば、柱状圧電セラミックスの外周面に、少なくとも１本以上の帯状の駆動電極と、少なくとも２本以上の帯状の検出電極と、少なくとも３本以上の帯状のアース電極とを有し、前記アース電極同士は隣接しないよう配されてなる圧電振動ジャイロ用振動子であって、前記柱状圧電セラミックス内部のヤング率が部分的に偏ってい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。
【００１２】
従来の圧電振動ジャイロ用振動子の内部のヤング率は、厳密には、電極の在る部分と電極の無い部分とでは、極部的に違っているが、構造上、対称であったり、均等に電極が配されていたりするため、全体を見た場合、偏りは有していない。本発明では、柱状圧電セラミックスの製造段階、或いは後工程にて、予め柱状圧電セラミックス内部のヤング率が、全体を見ても部分的な偏りを設けたものである。
【００１３】
また、本発明によれば、前記駆動電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数と、前記検出電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数とが異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。
【００１４】
柱状圧電セラミックス内部でのヤング率の偏りによって、図２に示した従来の圧電振動ジャイロ用振動子におけるＸ方向とＹ方向との振動状態に違いが生じる。即ち、Ｘ方向のスティフネスとＹ方向のスティフネスが異なる結果、Ｘ方向振動の共振周波数とＹ方向振動の共振周波数は、異なる周波数を示す。そして、このＸ方向振動の共振周波数とＹ方向振動の共振周波数との差をΔｆとすると、Δｆは必然的に温度特性を持ち、このΔｆの温度特性を利用することで、従来以上に、出力電圧の温度による変化が少ない圧電振動ジャイロ用振動子の提供が可能となる。
【００１５】
また、本発明によれば、アース電極のうち、少なくとも１つが他のアース電極より長手方向寸法が短い事を特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。この構成は、他のアース電極より長手方向寸法が短いアース電極の電極が無い部分は、分極処理工程において、分極電圧が印加されず、分極処理されない。そのため、この分極処理されない部分のヤング率と、分極処理された部分のヤング率とは違い、柱状圧電セラミックス内部にヤング率の偏りが生じる。
【００１６】
さらに、本発明によれば、駆動電極と対向する前記アース電極が他のアース電極より長手方向寸法が短い事を特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子が得られる。駆動電極と対向するアース電極を短くして、前記分極処理がされない部分を設けることで、容易にヤング率の偏りを柱状圧電セラミックス内部に形成することが可能となる。また、アース電極を短くする理由は、駆動電極或いは検出電極を短くすることで駆動力或いは検出感度を減少させない為でもある。
【００１７】
加えて、本発明によれば、上記に記載の圧電振動ジャイロ用振動子を使用したことを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記駆動電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数と、前記検出電極と前記アース電極間に生じる屈曲振動の共振周波数の差を検出して、出力電圧を補正することを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。前記圧電振動ジャイロ用振動子を使用することにより、前記Δｆの温度による変化を検知して、出力電圧の補正ができ、従来以上に、出力電圧の温度による変化が低減する圧電振動ジャイロとなる。
【発明の効果】
【００１９】
前記の如く、本発明によれば、圧電振動ジャイロ用振動子において、前記Ｘ方向の共振周波数とＹ方向の共振周波数との差であるΔｆの温度特性を利用可能とし、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子を使用することで、出力電圧の温度による変動が少ない圧電振動ジャイロの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子について、図面に基づいて具体的に説明する。
【００２１】
図３は、本発明による圧電振動ジャイロ用振動子を示す図である。図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は、（ａ）におけるＡ１−Ａ２の断面図である。円柱状圧電セラミックス１の外周面２の円周を６等分する位置に、円柱の中心軸９と平行な帯状の駆動電極３と、同じく帯状の検出電極５及び７と、同じく帯状のアース電極４、６及び８とが形成されている。さらに、アース電極４、６及び８の長手方向の両端部は、円柱状圧電セラミックス１の外周面の円周上を１周する環状電極１０及び１１で電気的に接続している。尚、図３（ａ）では検出電極５とアース電極４は円柱状圧電セラミックス１の背後に隠れているため、図示しない。
【００２２】
図３（ａ）及び図３（ｂ）の領域１２は、円柱状圧電セラミックス１の内部においてヤング率の異なる部分を示している。この領域１２は、予め、円柱状圧電セラミックス１の製造において、密度を変えることで形成できる。或いは、アース電極６を環状電極１０から切り離し、さらに長手方向の中央で分断した後、環状電極１１を共通のアースとして、前記駆動電極３と前記検出電極５と前記検出電極７の各々に、直流の電圧を印加して分極処理を施すことによっても、領域１２を形成出来る。これは、アース電極６を前記の様に分離した為、領域１２で示した部分が分極処理されない結果として、生じるものである。前記の場合、切り離したアース電極６は再度接続し直すと良いが、場合によっては、そのままの状態を維持しても良い。
【００２３】
このヤング率の異なる領域１２が存在することで、図３（ｂ）に示す、Ｘ方向とＹ方向との振動状態に違いが生じる。即ち、Ｘ方向のスティフネスとＹ方向のスティフネスが異なる結果、Ｘ方向振動の共振周波数とＹ方向振動の共振周波数が異なる周波数を示すことになる。そして、このＸ方向振動の共振周波数とＹ方向振動の共振周波数との差をΔｆとすると、Δｆは必然的に温度特性を持つ。このΔｆの温度特性を利用することで、従来以上に、出力電圧の温度による変化が少ない圧電振動ジャイロ用振動子の提供が可能となる。
【００２４】
図３には円柱状の圧電セラミックスを示したが、柱状屈曲振動する構造であれば、円柱以外の多角柱でも同じ効果が得られる。また、図３に示した各電極の形状は基本的な形状を示したものであり、限定されるものではない。例えば、図４は、従来の圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの一例を示す図である。図４には、円柱状圧電セラミックスの曲面に印刷される電極パターンを展開した図として示してある。駆動電極１３と、検出電極１５及び１７と、アース電極１４、１６及び１８が平行に、等間隔で配置されている。アース電極１４、１６及び１８は共通電極１９に接続し、共通となっている。この電極が円柱状圧電セラミックスの曲面に印刷され、駆動電極１３とアース電極１６とが対向し、検出電極１５とアース電極１８とが対向し、検出電極１７とアース電極１４とが対向する配置となる。本発明においては、このような電極構造であっても前記同様の効果が得られる。
【実施例１】
【００２５】
以下、具体的な例を挙げ、本発明の圧電振動ジャイロ用振動子についてさらに詳しく説明する。
【００２６】
図５は、実施例１による圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図である。円柱状圧電セラミックス１は、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミックス材料をプレス成型したものを焼結した後、円柱状に加工したものである。形状は直径１ｍｍで長さ１０ｍｍとした。この円柱状圧電セラミックス１の外周面２に、検出電極２５及び２７や、アース電極２６等の電極パターンを印刷し、分極処理をして、圧電振動ジャイロ用振動子とした。
【００２７】
図６は、実施例１による圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの平面展開図である。前記円柱状圧電セラミックス１の外周面２に印刷した電極は、駆動電極２３、検出電極２５及び２７、アース電極２４、２６及び２８が平行になる様に配置され、また、アース電極２４、２６及び２８は共通電極２９で電気的に共通となっている。さらに、アース電極２６は、他のアース電極２４或いは２８に比べ長さを１／２とした。
【００２８】
分極処理は、共通電極２９を０Ｖ電位とし、駆動電極２３、検出電極２５及び２７それぞれに高電圧を印加することで、分極処理とした。このとき、図５或いは図６に点線で示したアース電極の無い部分３０は電圧が印加されない為、分極処理がされない。そのため、分極処理された部分に比べてヤング率が小さい部分が生じ、ヤング率の部分的な偏りが円柱状圧電セラミックス１の内部に生じる。
【００２９】
この状態において、駆動電極２３とアース電極２６（又は共通電極２９）間に生じる振動の共振周波数と、検出電極２５及び２７とアース電極２４及び２８（又は共通電極２９）に生じる振動の共振周波数には差が生じる。この差をΔｆとすると、Δｆは必然的に温度特性を有する。
【００３０】
図７は、Δｆの温度特性を示すグラフである。横軸は温度を示し、縦軸は２５℃の時のΔｆを基準として、各温度でのΔｆの変化量を示している。比較の為、図４に示した電極パターンを有する、ヤング率の部分的な偏りを持たない従来の圧電振動ジャイロ用振動子のΔｆの温度特性も併記した。図７のグラフから解るように、実施例１におけるΔｆの温度による変化量は、従来品に比べ、非常に大きい。この結果は本発明における課題の解決に対して、一見、矛盾する結果のように見えるが、実は、この変化量が大きいということは、言い換えれば、温度に対して敏感に反応する、即ち、温度に対し高感度であることを示すものである。従って、この変化を利用して、出力を補正することで、温度変化に対して敏感で、出力変化が非常に少ない圧電振動ジャイロとなる。
【実施例２】
【００３１】
図８は、実施例２による圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図である。円柱状圧電セラミックス１は、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミックス材料をプレス成型したものを焼結した後、円柱状に加工したものである。形状は直径１ｍｍで長さ１０ｍｍとした。この円柱状圧電セラミックス１の外周面２に、検出電極３５及び３７や、アース電極３６等の電極を印刷し、分極処理をして、圧電振動ジャイロ用振動子とした。
【００３２】
図９は、実施例２による圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの展開図である。前記円柱状圧電セラミックス１の外周面２に印刷した電極は、平面に展開すると、図９に示す様に、駆動電極３３、検出電極３５及び３７、アース電極３４、３６及び３８が平行になる様に配置され、また、アース電極３４、３６及び３８は共通電極３９で電気的に共通となっている。さらに、アース電極３６は、他のアース電極３４或いは３８に比べ長さを３／４とした。
【００３３】
分極処理は共通電極３９を０Ｖ電位とし、駆動電極３３、検出電極３５及び３７それぞれに高電圧を印加することで、分極処理とした。このとき、図８或いは図９に点線で示したアース電極の無い部分４０は電圧が印加されない為、分極処理がされない。そのため、分極処理された部分に比べてヤング率が小さい部分が生じ、ヤング率の部分的な偏りが円柱状圧電セラミックス１の内部に生じる。
【００３４】
この状態において、駆動電極３３とアース電極３６（又は共通電極３９）間に生じる振動の共振周波数と、検出電極３５及び３７とアース電極３４及び３８（又は共通電極３９）間に生じる振動の共振周波数とには差が生じる。この差をΔｆとすると、Δｆは必然的に温度特性を有する。
【００３５】
図１０は、Δｆの温度特性を示すグラフである。横軸は温度を示し、縦軸は２５℃の時のΔｆを基準として、各温度でのΔｆの変化量を示している。比較の為、従来の圧電振動ジャイロ用振動子のΔｆの温度特性も併記した。図１０のグラフから解るように、実施例２におけるΔｆの温度による変化量は、従来品に比べ、非常に大きい。前述の通り、この結果は本発明における課題の解決に対して、一見、矛盾する結果のように見えるが、この変化量が大きいということは、言い換えれば、温度に対して敏感に反応する、即ち、温度に対し高感度であることを示すものである。従って、この変化を利用して、出力を補正することで、温度変化に対して敏感で、出力変化が非常に少ない圧電振動ジャイロとなる。
【００３６】
また、実施例１のΔｆの温度による変化量と、実施例２のΔｆの温度による変化量とを比較すると、実施例１の変化量が大きいことが解る。この結果から、駆動電極に生じる振動の共振周波数と、出力電極に生じる振動の共振周波数との差であるΔｆの温度特性は、アース電極の長さに依存し、アース電極の長さを変えることで、制御できることが解る。これは、アース電極の長さによって、円柱状圧電セラミックス１内部におけるヤング率の偏りの状態が変化することによる効果である。
【実施例３】
【００３７】
図１１は、実施例３による圧電振動ジャイロの構成を示すブロック図である。実施例３では、実施例１による圧電振動ジャイロ用振動子４１と、駆動回路４２と、温度補償回路４３と、検出回路４４とを備えた圧電振動ジャイロを試作し、評価した。
【００３８】
駆動回路４２は自励発振回路からなり、実施例１による圧電振動ジャイロ用振動子４１の駆動電極２３に、駆動信号を供給し、圧電振動ジャイロ用振動子４１を励振する回路である。検出回路４４は、差動増幅回路を有し、実施例１による圧電振動ジャイロ用振動子４１の検出電極２５と検出電極２７から出力される電圧を検出、増幅して、出力電圧Ｖを出力する回路である。温度補償回路４３は駆動回路４２から得られる振動の共振周波数と実施例１による圧電振動ジャイロ用振動子４１の検出電極２５と検出電極２７から得られる振動の共振周波数の差であるΔｆを検出し、基準となる温度でのΔfとの差を検出することで、温度による出力電圧の補正信号を検出回路４４に供給する回路である。圧電振動ジャイロ用振動子４１のアース電極２４、２６、２８は回路のアースと接続してある。
【００３９】
図１２は、実施例３による出力電圧の変化率を示すグラフである。このグラフは、横軸に温度を示し、縦軸には、２５℃を基準としたときの各温度による出力電圧Ｖの変化率を示している。また、図１２のグラフには比較するために、図４に示した電極パターンによる、円柱状圧電セラミックス１内部におけるヤング率の偏りが無い圧電振動ジャイロ用振動子を使用した従来品と、実施例２による圧電振動ジャイロ用振動子を使用した場合での圧電振動ジャイロの出力電圧の変化率も併記してある。
【００４０】
グラフからも解るように、実施例３による圧電振動ジャイロの出力の温度変化は従来品に比べ変化が少なく、大きく改善されていることが解る。また、実施例２による圧電振動ジャイロ用振動子を使用した圧電振動ジャイロの出力の温度変化も従来品と比べ改善されている。
【００４１】
上記のごとく、本発明による、圧電振動ジャイロ用振動子は、円柱状圧電セラミックス内部にヤング率の偏りを設けたので、Ｘ方向振動の共振周波数とＹ方向振動の共振周波数とにΔｆの差ができる。そのΔｆの値は、温度に対し、敏感に変化するため、その性質を用いて、温度補正をすることにより、圧電振動ジャイロの出力電圧の温度による変化を著しく低減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明による圧電振動ジャイロ用振動子及び圧電振動ジャイロは、カメラやカメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置や回転角加速度の検出装置、あるいは自動車用のナビゲーションシステムのセンサー等に幅広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来の圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図。
【図２】従来の圧電振動ジャイロ用振動子の中心軸に対して垂直な中央部の断面図。
【図３】本発明による圧電振動ジャイロ用振動子を示す図である。図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は、（ａ）におけるＡ１−Ａ２の断面図。
【図４】従来の圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの一例を示す図。
【図５】実施例１による圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図。
【図６】実施例１による圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの平面展開図。
【図７】実施例１によるΔｆの温度特性を示すグラフ。
【図８】実施例２による圧電振動ジャイロ用振動子を示す斜視図。
【図９】実施例２による圧電振動ジャイロ用振動子の電極パターンの展開図。
【図１０】実施例２によるΔｆの温度特性を示すグラフ。
【図１１】実施例３による圧電振動ジャイロの構成を示すブロック図。
【図１２】実施例３による出力電圧の変化率を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４４】
１    円柱状圧電セラミックス
２    外周面
３，１３，２３，３３    駆動電極
４，６，８，１４，１６，１８，２４，２６，２８，３４，３６，３８    アース電極
５，７，１５，１７，２５，２７，３５，３７    検出電極
９    中心軸
１０，１１    環状電極
１２    領域
１９，２９，３９    共通電極
３０，４０    アース電極の無い部分
４１    本発明による圧電振動ジャイロ用振動子
４２    駆動回路
４３    温度補償回路
４４    検出回路
Ｖ    出力電圧
【図１】
2007071692.tif 000003
【図２】
2007071692.tif 000004
【図３】
2007071692.tif 000005
【図４】
2007071692.tif 000006
【図５】
2007071692.tif 000007
【図６】
2007071692.tif 000008
【図７】
2007071692.tif 000009
【図８】
2007071692.tif 000010
【図９】
2007071692.tif 000011
【図１０】
2007071692.tif 000012
【図１１】
2007071692.tif 000013
【図１２】
2007071692.tif 000014