(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式がａＰｂＴｉＯ3−ｂＰｂＺｒＯ3−ｃＰｂ（Ｃｏ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００）で示され、ａが３０.０〜４４.０ｍｏｌ％、ｂが４５.０〜５５.０ｍｏｌ％、ｃが７.０〜１５.０ｍｏｌ％の主成分からなり、副成分として、前記主成分を１００ｗｔ％としたとき、０.５〜１.５ｗｔ％のＳｍ2Ｏ3を含有し、機械的品質係数が４００〜１０００、電気機械結合係数が３０以上、共振周波数の温度係数が１００未満であることを特徴とする振動ジャイロ用圧電磁器材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動ジャイロに使用される圧電磁器材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧電振動子を用いた小型で、低価格のジャイロが市場に提供されるようになり、携帯ビデオカメラ及び携帯カメラの手ぶれ防止や自動車のナビゲーションシステム、ＡＢＳシステムに活用されている。これらの圧電ジャイロは、現在、大きく次のような４方式に分類され、実用化されている。
【０００３】
１）恒弾性金属の音叉に圧電セラミックを貼り付けた振動子で直交する２方向の振動モ−ドを利用して一方を駆動、他方を角速度で発生するコリオリ力で誘起する直交方向の振動から角速度を検出に用いる方式、
２）恒弾性金属の四角柱に圧電セラミックを接合し、棒の屈曲振動を発生させ、コリオリ力で発生する直交した屈曲振動を別の圧電セラミックで検出する方式、
３）圧電セラミックの円柱に交差指電極を表面に長さ方向に形成し分極してなる振動子で一組の電極で一方向の屈曲振動を発生させ、他の二組の電極で発生電圧を検出する構成でコリオリ力に応じて発生する直交方向の振動の効果で検出側の出力のアンバランスから出力電圧差を検出し、角速度を検出する方式、
４）２）と３）の折衷方式として、恒弾性金属の三角柱の側面に圧電セラミック板を３枚接合し、１枚を駆動用、他の２枚を検出用に用いる方式、
である。
【０００４】
特に、３）の方式（以降、セラミック円柱方式と呼称）は、接着工程を必要とせず、構成が単純で、信頼性が高い利点を有する。しかし、一方で、振動子特性の全てが圧電セラミックの材料特性で決定されるため、使用できる材料の選択範囲は著しく限定されるという欠点がある。
【０００５】
セラミック円柱方式による振動ジャイロの特性は、圧電セラミックの材料特性に密接に関連する。ここで、材料特性及びジャイロ特性の内容を表１及び表２に示す。
【０００６】
0003891457.tif 000002
【０００７】
0003891457.tif 000003
【０００８】
特に、▲１▼機械的品質係数（以下、Ｑｍとする）は、感度（以下、Ｓとする）の大きさに比例するが、一般に、圧電セラミックのＱｍの温度係数は大きく、中には、使用温度領域内で数百％になる材料もある。この場合、Ｓの温度変化も大きくなり、実用上の問題が発生する。対策として、駆動電圧にＱｍの温度変化と逆の温度特性を持たせ、Ｓの温度変化を補正することで、出力の温度変動を抑制できる。しかしながら、この場合、駆動電圧が温度によって変動することになり、安定な動作が得られにくくなる。特に、カーナビゲーションへの応用の場合、ヌル電圧変動（以下、ΔＮとする）が位置精度の誤差要因となる実用上の問題があるが駆動電圧が変動することは、このΔＮの大きな要因となる。
【０００９】
また、▲２▼共振周波数の温度変化も駆動周波数の変動要因となり、Ｓ及びヌル電圧の変動要因になる。更に、Ｓを決める要素として、Ｑｍの絶対値と電気機械結合係数（以下、Ｋｐとする）がある。基本的には、Ｑｍが大きく、Ｋｐも大きい方が好ましい。
【００１０】
また、▲３▼材料の組成によっては、特定の温度範囲で振動子特性に温度ショックを有し、急激な温度変化に対して、Ｑｍが急激に変化するものがある。このような温度ショックは、Ｓの変動要因となるため、ジャイロの使用温度範囲に大きな熱ショックを持つ材料は好ましくない。
【００１１】
従って、ジャイロの使用温度範囲で、一定値以上のＱｍを有し、その温度変化が少なく、温度ショックを持たず、共振周波数の温度変化も少ない圧電磁器材料を提供することが必要である。
【００１２】
材料特性とジャイロ特性の関連について、以下のような傾向がある。
１）ＳはＱｍに強く支配され、Ｑｍが同じ程度の場合、Ｋｐが小さい方がＳが高い。
２）感度変化率（以下、ΔＳ／Ｓとする）はＱｍの変化率に支配され、Ｑｍの変化率が小さいほど、Ｓの変化は小さくなる。
３）ΔＮは共振周波数の温度変動に強く支配され、共振周波数の温度変動が小さいほど、ΔＮの少ない材料が得られる。
４）Ｓ／Ｎ比はＳに比例し、Ｓが大きいほど良好になる。
【００１３】
以上の傾向から、カーナビゲーションに使用できる、Ｓが高く、その温度変動も少なく、ΔＮの少ない円柱型圧電ジャイロを実現するための規格として、Ｓ＞１５（ｍＶ／ｄｅｇ／秒）、ΔＳ／Ｓ＜１５（％）、ΔＮ＜５（ｄｅｇ／秒）、Ｓ／Ｎ＞１０が設定できる。また、これに対応する、圧電セラミックの要求条件は、３０（％）≦Ｋｐ、４００≦Ｑｍ≦１０００、共振周波数の温度係数（以下、Ｔｋｆｒとする）＜１００（ｐｐｍ／℃）となる。
【００１４】
また、従来は、Ｑｍの温度安定性と、共振周波数の温度安定性を両立させた材料は提供されていなかった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、上記の材料特性を満足し、ΔＮが抑制され、高精度で安価な圧電振動ジャイロが得られる圧電磁器材料を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の課題を解決するため、種々の検討を行った結果、組成式ａＰｂＴｉＯ3−ｂＰｂＺｒＯ3−ｃＰｂ（Ｃｏ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3において、ａ：３０.０〜４４.０ｍｏｌ％、ｂ：４５.０〜５５.０ｍｏｌ％、ｃ：７.０〜１５.０ｍｏｌ％（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００）とする主成分と、主成分を重量で１００％としたとき、Ｓｍ2Ｏ3：０.５〜１.５ｗｔ％として添加された副成分とを含むことにより、温度安定性の高いジャイロを提供できる圧電磁器材料が得られることを見い出した。
【００１７】
即ち、本発明は、組成式がａＰｂＴｉＯ3−ｂＰｂＺｒＯ3−ｃＰｂ（Ｃｏ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００）で示され、ａが３０.０〜４４.０ｍｏｌ％、ｂが４５.０〜５５.０ｍｏｌ％、ｃが７.０〜１５.０ｍｏｌ％の主成分からなり、副成分として、前記主成分を１００ｗｔ％としたとき、０.５〜１.５ｗｔ％のＳｍ2Ｏ3を含有し、機械的品質係数が４００〜１０００、電気機械結合係数が３０以上、共振周波数の温度係数が１００未満である振動ジャイロ用圧電磁器材料である。
【００１８】
一般に、圧電材料は、ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3の固溶体（二成分系ＰＺＴセラミック）に、複合ペロブスカイト化合物を一種もしくは複数種固溶させることにより、二成分系では得られなかった誘電的、圧電的な特性改善がなされて広く実用に供されている。ジャイロ用材料を考えた場合、第三成分として、Ｐｂ（Ｃｏ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3を固溶させたＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3−Ｐｂ（Ｃｏ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3系圧電セラミックが数百〜数千Ｑｍと高い誘電的、圧電的な特性が得られるという、ハード材料としての特徴を持つ点で望ましい。しかし、Ｔｋｆｒが数百という値を持ち、ジャイロとした場合、ΔＮが大きくなり望ましくない。
【００１９】
さらに、Ｐｂ（Ｃｏ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3が７.０ｍｏｌ％以下、かつＺｒ／Ｔｉ比が本請求の範囲以下では、使用温度範囲内でＱｍレベルが４００未満の部分が生じ、その温度ではジャイロ感度が低下してしまうので望ましくない。
【００２０】
この場合、Ｔｋｆｒを改善し１００ｐｐｍ／℃未満とすることで、感度及びヌル電圧の温度安定性の低下を防ぐことが必要となる。Ｔｋｆｒの改善は、副成分として、Ｓｍ2Ｏ3を一定量添加することにより達成できることが判明した。即ち、Ｓｍ2Ｏ3＝０.５〜１.５ｗｔ％となるように添加した場合に、他の振動子特性に大きな影響を与えずにＴｋｆｒの改善がなされることが確認された。
【００２１】
以上の構成による圧電磁器を円柱型圧電振動ジャイロに使用した場合、適度のＫｐ、及びＱｍにより高いＳを示すと同時に、共振周波数の安定性からΔＮが抑制される。また、Ｋｐの温度安定性からＳの温度安定性が得られ、温度補正回路が不用となる。この場合、駆動電圧の安定性が得られるので、ΔＮの他の要因も改善できる。以上の結果、ヌル電圧の安定性が得られ、カーナビゲーションにも対応できる高精度で安価な圧電振動ジャイロが提供できるようになった。
【００２２】
【発明の実施の形態】
主成分及び副成分の原料を目的の組成となるように秤量し、この原料粉末をウレタンボールとともにアクリルポット中に入れ、湿式混合した。この混合粉末を脱水乾燥後、アルミナ匣鉢中で予焼した後、この予焼粉末をアクリルポット中ウレタンボールにて湿式粉砕した。続いて、脱水乾燥し、得られた予焼粉砕粉末にバインダを混合して加圧し、成形した。この成形体を焼成し、得られた焼結体を所定の厚さに加工した後、両面に銀ペースト塗布し、焼き付けて電極を形成した。
【００２３】
【実施例】
主成分及び副成分の原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｃｏ3Ｏ4、Ｎｂ2Ｏ5、Ｓｍ2Ｏ3を目的の組成となるように秤量した。この原料粉末をウレタンボールとともにアクリルポット中に入れ、２０時間湿式混合した。この混合粉末を脱水乾燥後、アルミナ匣鉢中で８００℃、２時間の予焼を行った。この予焼粉末をアクリルポット中ウレタンボールにて２０時間湿式粉砕した。続いて、脱水乾燥し、得られた予焼粉砕粉末にバインダを混合して加圧し、φ２０×１５ｍｍに成形した。この成形体を１２００〜１２６５℃で２時間焼成し、得られた焼結体を１ｍｍの厚さに加工した後、両面に銀ペースト塗布し、４５０℃で焼き付けて電極を形成し、試料とした。
【００２４】
このようにして得られた試料に、シリコンオイル中で１００℃、４ｋＶ／ｍｍ、１５分で分極処理を行い、比誘電率εｒ、Ｋｐ、Ｑｍを測定した。さらに、この試料を２×１０ｍｍの矩形板に切断し、−３０℃〜＋８０℃の温度範囲でＱｍと共振周波数ｆｒを測定し、Ｔｋｆｒを求めた。測定結果を表３に示す。
【００２５】
【表３】
0003891457.tif 000004
【００２６】
表３から、本発明の圧電材料に関して、組成範囲を決定する理由として、排除されるべき、以下の１）〜３）の不適事項を列挙することができる。即ち、３０％≦Ｋｐ、４００≦Ｑｍ≦１０００、Ｔｋｆｒ＜１００ｐｐｍ／℃を満たさない場合、本発明の請求範囲から除外することとした。
【００２７】
１）表３のＮｏ.１７〜１９により、ＰｂＺｒＯ3量であるｂが５５.０ｍｏｌ％を越えると、Ｑｍ高くなるため好ましくない。また、ｂが４５.０ｍｏｌ％、ａが４４.０ｍｏｌ％の近傍に相転位線が存在するため、振動子特性の安定性の面から望ましくない。
２）Ｎｏ.２０〜２２により、Ｐｂ（Ｃｏ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3量であるｃが７.０ｍｏｌ％未満では、ジャイロの使用温度範囲内で温度ショックがみられるため望ましくない。また、１５.０ｍｏｌ％以上では相転位線が近く、振動子特性の安定性の面から望ましくない。
３）Ｓｍ2Ｏ3量であるｄが１.５ｗｔ％を越えると、Ｋｐが低下するため望ましくない。
【００２８】
以上より、ａが３０.０〜４４.０ｍｏｌ％、ｂが４５.０〜５５.０ｍｏｌ％、ｃが７.０〜１５.０ｍｏｌ％、Ｓｍ2Ｏ3が０.５〜１.５ｗｔ％が最適であることがわかる。
【００２９】
また、本発明の材料について、ジャイロ特性を評価した結果を表４に示した。
【００３０】
【表４】
0003891457.tif 000005
【００３１】
表４より、Ｓ＞１５、ΔＳ／Ｓ＜１５、ΔＮ＜５、Ｓ／Ｎ＞１０を満たしていることがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ヌル電圧の変動が抑制され、高精度で安価な圧電振動ジャイロが得られる圧電磁器材料を提供することができた。