(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極反転圧電単結晶よりなる圧電体により形成されており、駆動部と検出部とにより構成される振動体と、
該駆動部に配設された駆動電極と、
該検出部に配設された検出電極とを具備し、
前記振動体を、ベース部と、該ベース部より上部に一対の上部アームを有すると共に、前記ベース部より下部に一対の下部アームを有したＨ型形状とした圧電ジャイロであって、
前記分極反転圧電単結晶の分極反転方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する前記一対の上部アームの並設方向をＸ軸方向とし、前記上部アーム及び前記下部アームの前記ベース部からの延出方向をＹ軸方向とした場合、
前記上部アームの前記Ｚ軸方向に直交する両表面のそれぞれの面に二つの前記駆動電極を配置し該駆動電極により前記上部アームに面内撓み振動を発生させると共に、
下部アームの前記Ｚ軸方向に直交する両表面のそれぞれの面に一つの前記検出電極を形成することにより、前記検出部の前記分極反転圧電単結晶を構成する一対の分極反転層を前記Ｚ軸方向から前記検出電極が挟むよう配置され、該検出電極により前記下部アームに面垂直振動を検出する構成としたことを特徴とする圧電ジャイロ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電ジャイロにおいて、
前記振動体は、面内に対して垂直方向に分極されていることを特徴とする圧電ジャイロ。
【請求項３】
請求項１または２記載の圧電ジャイロにおいて、
前記分極反転圧電単結晶として、１４０°±１５°回転Ｙ板ニオブ酸リチウム圧電単結晶を使用したことを特徴とする圧電ジャイロ。
【請求項４】
請求項１または２記載の圧電ジャイロにおいて、
前記分極反転圧電単結晶として、１３０°±１５°回転Ｙ板タンタル酸リチウム圧電単結晶を使用したことを特徴とする圧電ジャイロ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電ジャイロにおいて、
該駆動部が面内振動するよう構成すると共に、前記検出部が面垂直振動するよう構成したことを特徴とする圧電ジャイロ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電ジャイロにおいて、
前記ベース部の長さを前記アーム長の４倍以上２０倍以下に設定したことを特徴とする圧電ジャイロ。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電ジャイロにおいて、
前記ベース部の中央を支持する支持部材を設けたことを特徴とする圧電ジャイロ。
【請求項８】
請求項７記載の圧電ジャイロにおいて、
前記支持部材をワイヤにより構成したことを特徴とする圧電ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電ジャイロに係り、特に振動体として圧電体を用いた圧電ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信技術やコンピュータ技術の急激な進歩は、人間や自動車などの動きをより精確に、より簡便に検出したい要求をますます強めている。特に、角速度センサは、加速度センサとともに、物体の動きの認識には不可欠である。圧電振動ジャイロ（以下、「圧電ジャイロ」という。 ）は、圧電体により駆動された振動体に角速度が加わるとき、駆動された振動と直交する方向に発生するコリオリ力を圧電体により検出するもので、従来のコマジャイロや光ジャイロに比べて小型で使い易いという特徴を有する。
【０００３】
特に、昨今は、マイクロプロセッサの進歩により、カメラの手ブレ防止機構や、自動車の姿勢制御や、ナビゲーションシステムのための位置検出など、小形のジャイロスコープの応用分野が増え、圧電ジャイロが、構造の単純さから多用されるようになっている（文献１：近野正  他；「圧電振動ジャイロスコープ角速度センサ」電子情報通信学会論文誌、ｖｏｌ．Ｊ７８−Ｃ−Ｉ、Ｎｏ、１１、ｐｐ．５４７−５５６（１９９５−１１）参照）。
【０００４】
しかしながら、温度安定性や、感度など、従来の圧電ジャイロには限界があり、航空機などの精密な位置制御や、角速度変化が小さい人や物の動きなどを検出するには十分とはいえない。
【０００５】
高精度且つ高安定な角度センサとしては、いまでも、コマジャイロや光ジャイロが用いられている。この分野への圧電ジャイロの適用が可能になれば、小形の加速度センサと組み合わせることにより、高度情報化社会における物や人の動きの認識に必要なデバイスの供給が可能となる。しかし、図１に示すように、従来の一般的な圧電ジャイロは、０．１度／秒程度が実用上の測定精度の限界であり、人、自転車、自動車などの精確な動きを検出するには、さらに、１〜２桁近くの感度の向上が必要である。
【０００６】
図２は、圧電ジャイロの原理を説明するための図である。図２（Ｃ）に示す圧電ジャイロは合金１（双共振子音片）の表面に圧電素子２、３を接着させた構成とされている。圧電素子２に電圧を印加して、合金１をＸ軸方向に振動させる。Ｘ軸方向に振動させながら、Ｙ軸を中心に回転させると、Ｚ軸にコリオリ力が働き、Ｚ軸方向に合金１が振動する。その結果、圧電素子３が歪んで、回転の角速度に比例した電圧が圧電素子３から出力される。圧電素子２が駆動素子、圧電素子３が検出素子である。Ｘ軸上の振動モードをｆｘモードといい、Ｚ軸上の振動モードをｆｚモードという。
【０００７】
図２（Ａ）（Ｂ）（Ａ’）（Ｂ’）に示すように音片振動のような弾性振動は、バネと質量の組み合わせで等価的に考えることができる。図２（Ａ）は、音片１が、Ｘ軸上で振動（Ｘ方向又はその反対の方向に音片１の先端の質量が、振動している状態）している回転前の状態で、そのときの振動の状態を図２（Ａ’）に示す。また、図２（Ｂ）は、音片１がＸ軸上で振動し、さらに、音片１を含む全体が、Ｙ軸を中心に角速度Ω（ｔ）で回転している状態である。そのときの、振動の状態を図２（Ｂ’）に示す。
【０００８】
バネと質量との位置は、回転後の新しい座標軸で表せるが、質点の動きには、元の座標であるＸ方向の慣性力が加わる。この時、新しい座標（Ｘ’、Ｚ’）で考える時、見かけ上は直交した力が加わる。すなわち、Ｘ’方向の起振力が生じる。この力による新たなＺ’方向の振動を検出することが、圧電ジャイロの基本原理である。
【０００９】
典型的な圧電ジャイロの開発の流れを図３に示す。支持のしやすさ、漏れ出力の抑圧などが、流れの誘因といえる。図３のごとく、単純な音片形（Ａ）から、より支持の容易な音さ形（Ｂ）、さらに、重点支持が可能で、振動モード間の結合の少ないＨ型（Ｃ）へと展開されている。その他にも、形状の薄型化や、支持の容易さなどから、各種の振動モードの種々の組み合わせが提案されている。
【００１０】
ところで、圧電ジャイロのセンサ特性の安定性や精度は、直流レベルの変化と、感度の変化で表現される。それらと密接に関わるのが漏れ出力（駆動モードの信号が検出電極に現れる出力）である。圧電ジャイロが２つの振動子の組み合わせであるので、漏れ出力は、それぞれの振動子の特性と複雑に関係する。漏れ出力は、以下の四種類の異なる原因による。
【００１１】
駆動振動モードと検出振動モードとの機械的結合、駆動用電極と検出振動モードとの電気機械結合、検出用電極と駆動振動モードとの電気機械結合及び駆動電極と検出電極間の静電的結合の四種類である。
【００１２】
従来の圧電ジャイロでは、この漏れの低減が最大課題であったが、完全にはコントロールできずに、検出側の電気回路で、バランスをとって補償するケースが多い。また、漏れ出力の原因の組み合わせは複雑であり、特に温度変化による直流ドリフトや感度の補償が難しい。実際には、使用温度範囲の温度特性データに従って、個別に対応して、補償するケースが多い。
【００１３】
そこで、上記漏れ出力の原因に対して、漏れ出力を極力抑制する圧電ジャイロの開発がなされている。その一つとして、発明者らは、面内振動は音さ形で、面垂直振動はＨ形である構造の圧電ジャイロを開発した。このＨ形圧電ジャイロは、タンタル酸リチウム単結晶板を用いたもので、その結晶方位と形状とを図４に示す。
【００１４】
このＨ形圧電ジャイロ５は、電気機械結合係数が大きく、温度特性にも優れているＬｉＴａＯ3 圧電単結晶の１３０度回転ｙ板を用いている。また、Ｈ形圧電ジャイロ５は、図４（Ａ）に示すようにＨ形構造で、中央のベース部６より上方に向け上部アーム部７，８が、またベース部６より下方に向け上部アーム１５，１６が延出した構成とされている。
【００１５】
図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、上部アーム部７にはｆｘモード用電極１１Ａ〜１１Ｄが、上部アーム部８にはｆｘモード用電極１１Ｅ〜１１Ｇが配設されている。また、図４（Ａ），（Ｃ）に示すように、下部アーム部１５にはｆｚモード用電極１７Ａ〜１７Ｄが、下部アーム部１６にはｆｚモード用電極１８Ａ〜１８Ｄが配設されている。特に、ｆｚモード用電極１７Ａ〜１７Ｄ及びｆｚモード用電極１８Ａ〜１８Ｄは、下部アーム部１５，１６の外周四面にそれぞれ配設された構成となっている。
【００１６】
ｆｘモードは、上部アーム部７，８と下部アーム部１５，１６の共振周波数の差から、独立に振動する固有共振周波数を有する。ｆｚモードは、上部アーム部７，８と下部アーム部１５，１６が、ほぼ対称に振動するように設計されている。
【００１７】
具体的には、圧電体を構成するLiTaO3単結晶の板厚さ１mm、各アーム７，８，１５，１４のアーム幅1mm、各アーム７，８，１５，１４のアーム長7mm、 中央結合部となるベース部６の長さ７mmとしている。また、ジャイロとしての感度が周波数に反比例することを考慮し、かつ共振周波数が人間の可聴範囲の外側（約15KHz程度）になるように形状を設定している。
【００１８】
このＨ形の圧電ジャイロ５によれば、角速度がゼロのときに、駆動信号が検出電極に現れる漏れ出力を大幅に改善することができる（文献２：N.Wakatuki、H.Tanaka：“Finite Element Method Analysis of Single Crystal Tuning Fork  Gyroscope for Suppression of its inner Leakage Coupling ”Jpn．J．.Appl．Phys．、vol 36、pp．3037-3040．1997及びH.Tanaka、N.Wakatsuki：”Electromechanical Coupling Coefficients for a New H-type LiTaO3 Piezoelectric Gyroscope” Jpn．J．.Appl．Phys．、vol37 pp．2868-2871、1998参照）。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示す従来の圧電ジャイロ５を製造する場合、先ず直方体の圧電材の上部及び下部にダイシングソーを用いて溝１３,１４を形成することによりＨ形状とする。これにより、ベース部６、上部アーム部７，８、及び下部アーム部１５，１６形成される。
【００２０】
その後に、上部アーム７，８にｆｘモード用電極１１Ａ〜１１Ｈを形成すると共に、下部アーム部１５，１６にｆｚモード用電極１７Ａ〜１７Ｄ，１８Ａ〜１８Ｄを形成する。この各アーム７，８，１５，１６への各電極１１Ａ〜１１Ｈ，１７Ａ〜１７Ｄ，１８Ａ〜１８Ｄの形成は、ニクロム／金の薄膜電極を斜め露光を用いたホトエッチング技術を用いて形成する。
【００２１】
しかしながら、従来の圧電ジャイロ５では、ｆｚモード用電極１７Ａ〜１７Ｄ，１８Ａ〜１８Ｄを下部アーム部１５，１６の外周四面の全てに形成する必要があり、特に溝１４が形成された側の面へのｆｚモード用電極１７Ｄ，１８Ｄの形成が困難であるという問題点があった。
【００２２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、電極構造の簡単化を図りうる圧電ジャイロを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とする。
【００２４】
請求項１記載の発明は、分極反転圧電単結晶よりなる圧電体により形成されており、駆動部と検出部とにより構成される振動体と、該駆動部に配設された駆動電極と、該検出部に配設された検出電極とを具備し、前記振動体を、ベース部と、該ベース部より上部に一対の上部アームを有すると共に、前記ベース部より下部に一対の下部アームを有したＨ型形状とした圧電ジャイロであって、
前記分極反転圧電単結晶の分極反転方向をＺ軸方向とし、該Ｚ軸方向と直交する前記一対の上部アームの並設方向をＸ軸方向とし、前記上部アーム及び前記下部アームの前記ベース部からの延出方向をＹ軸方向とした場合、
前記上部アームの前記Ｚ軸方向に直交する両表面のそれぞれの面に二つの前記駆動電極を配置し該駆動電極により前記上部アームに面内撓み振動を発生させると共に、
下部アームの前記Ｚ軸方向に直交する両表面のそれぞれの面に一つの前記検出電極を形成することにより、前記検出部の前記分極反転圧電単結晶を構成する一対の分極反転層を前記Ｚ軸方向から前記検出電極が挟むよう配置され、該検出電極により前記下部アームに面垂直振動を検出する構成としたことを特徴とするものである。
この際、本発明では圧電体として分極反転圧電単結晶を使用している。分極反転圧電単結晶とは、中央で自発分極が表裏で方向が逆転した構造を有する圧電体である。この分極反転圧電単結晶を圧電体として用いることにより、側面電極を形成することなしに、駆動部の駆動及び検出部からの電荷検出を行なうことが可能となる。
また、振動体をＨ型形状とすることにより、従来一般的に用いられていた音叉型に比べて振動モード間の結合が少なくなるため、特性の向上を図ることができる。
また、駆動部の分極反転圧電単結晶を構成する一対の分極反転層のうち、少なくとも一方の分極反転層の表面に駆動電極として面内撓み振動を駆動する電極を形成することにより、駆動部に面内方向の振動（面内振動）を発生させることができる。
また、検出部の分極反転圧電単結晶を構成する一対の分極反転層を挟んだ両面に、面垂直振動を検出する検出電極を形成したことにより、この検出電極よりコリオリ力に相関して発生する電荷を検出することができる。
【００２５】
これに対し、角速度が印加されると、検出部にはコリオリの力が作用し電荷が発生する。コリオリ力は角速度に相関するため、検出部を用いて発生する電荷を検出することにより、加速度の大きさを検出することができる。
【００２６】
この際、本発明では圧電体として分極反転圧電単結晶を使用している。分極反転圧電単結晶とは、中央で自発分極が表裏で方向が逆転した構造を有する圧電体である。この分極反転圧電単結晶を圧電体として用いることにより、側面電極を形成することなしに、駆動部の駆動及び検出部からの電荷検出を行なうことが可能となる。
また、振動体をＨ型形状とすることにより、従来一般的に用いられていた音叉型に比べて振動モード間の結合が少なくなるため、特性の向上を図ることができる。
また、駆動部の分極反転圧電単結晶を構成する一対の分極反転層のうち、少なくとも一方の分極反転層の表面に駆動電極として面内撓み振動を駆動する電極を形成することにより、駆動部に面内方向の振動（面内振動）を発生させることができる。
また、検出部の分極反転圧電単結晶を構成する一対の分極反転層を挟んだ両面に、面垂直振動を検出する検出電極を形成したことにより、この検出電極よりコリオリ力に相関して発生する電荷を検出することができる。
【００２７】
また、請求項２記載のように、振動体を構成する分極反転圧電単結晶の分極方向は、面内に対して垂直方向に分極することが望ましい。
【００２８】
また、請求項３及び請求項４記載の発明のように、分極反転圧電単結晶の材料としては、１４０°±１５°回転Ｙ板ニオブ酸リチウム圧電単結晶、或いは１３０°±１５°回転Ｙ板タンタル酸リチウムを用いることができる。これらの材料は、電気機械結合係数が大きく変換効率が高いため、分極反転圧電単結晶として使用することにより、圧電ジャイロの小型化を図ることができる。
【００３０】
また、請求項５記載のように、振動体をＨ型形状とした場合、駆動部が面内振動するよう構成すると共に、検出部が面垂直振動するよう構成することが望ましい。
【００３３】
また、請求項６記載の圧電ジャイロは、ベース部の長さをアーム長の４倍以上２０倍下に設定したことにより、支持部となるベース部中央付近の変位の傾きが小さくなるため、支持可能範囲が広がり、実装の自由度を増すことができる。
【００３４】
更に、請求項７及び請求項８記載の圧電ジャイロは、支持部材によりベース部の中央部を支持するため、支持構造の簡単を図ることができる。また、支持部材としてワイヤを用いることにより、支持の影響がジャイロ特性に現れることを抑制することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００３６】
図５は、本発明の一実施例である圧電ジャイロ２０を示す斜視図である。本実施例に係る圧電ジャイロ２０は、大略すると振動体２１、上部電極３０〜３７、下部電極４０〜４３、及び支持部材２９Ａ等により構成されている。
【００３７】
本実施例に係る圧電ジャイロ２０は、漏れ出力を極力抑制する点から面内振動は音さ形で面垂直振動はＨ形であるＨ形構造を採用している。このため、振動体２１は、ベース部２２の上部に一対の上部アーム部２３，２４を有すると共に、ベース部２２の下部に一対の下部アーム部２５，２６を有した構成とされている。
【００３８】
また、本実施例に係る圧電ジャイロ２０は、振動を発生させる駆動部を上部アーム部２３，２４に設定すると共に、角速度を検出する検出部を下部アーム部２５，２６としている。更に、振動方向は、上部アーム部２３，２４に発生させる振動を面内振動（ｆｘ振動モード）に設定し、下部アーム部２５，２６に面垂直振動（ｆｚ振動モード）を発生させるよう設定している。
【００３９】
上部アーム部２３，２４は、中央に位置するベース部２２より上方に向け延出するよう形成されている。また、下部アーム部２５，２６は、ベース部２２より下方に向け延出するよう形成されている。この各アーム部２３〜２６を有した振動体２１は、直方体形状を有した圧電材の上部及び下部にダイシングソーを用いて溝２７，２８を設けることにより形成される。
【００４０】
本実施例では、振動体２１として分極反転圧電単結晶を使用したことを特徴としている。図６（Ａ）は、本実施例で用いている分極反転圧電単結晶よりなる圧電体４６を示している。尚、図６（Ｂ）は、従来のＨ形圧電ジャイロ５（図４参照）で用いられていた分極反転を有しない圧電体４７を示している。
【００４１】
図６（Ａ），（Ｂ）において、矢印で示すのは分極の方向である。図６（Ａ）に示すように、分極反転圧電単結晶よりなる圧電体４６は、中央で自発分極が表裏で方向が逆転した構造を有している。即ち、図中下方に分極方向を有する圧電体４６Ａと、図中上方に分極方向を有する圧電体４６Ｂが一体的に接合された構成となっている。これに対し、従来の圧電体４７は、図６（Ｂ）に示すように、圧電単結晶全体にわたり分極方向が一方向のみの構成とされている。
【００４２】
本実施例では、圧電体４６（分極反転圧電単結晶）の材料としてニオブ酸リチウム圧電単結晶（LiNbO3圧電単結晶）を用いており、その最適な結晶方位は、１４０°±１５°回転ｙ板である。図５に結晶方位と圧電ジャイロ２０の配置関係を示している。尚、この１４０°±１５°回転ｙ板ニオブ酸リチウム圧電単結晶（LiNbO3圧電単結晶）に代えて、タンタル酸リチウム圧電単結晶（LiTaO3 圧電単結晶の１３０±１５°度回転ｙ板を用いることも可能である。
【００４３】
この分極反転圧電単結晶の形成方法としては、拡散形成法、プロトン交換形成法、熱処理法等が知られているが、熱処理のみで分極反転層４６Ａ，４６Ｂを形成しうる熱処理法が生産効率上及びコスト的に有利である。この熱処理法を用いた場合、 圧電体４６の厚さ（図６（Ａ）の矢印Ｚ方向の厚さ）が大きいと、キューリー点付近での熱処理による分極反転を均一に作るのが困難となる。
【００４４】
よって、分極反転を均一に形成するためには、圧電体４６（即ち、振動体２１）の厚さは、0.5mm以下が望ましい。一方、前記したように振動体２１にはダイシングソーを用いて溝２７，２８を設ける必要があるため、機械的強度も維持する必要がある。
【００４５】
この点からは、圧電体４６（即ち、振動体２１）の厚さは、0.3mm程度を最低の厚さと考える。即ち、圧電体４６（即ち、振動体２１）の厚さｔを0.3mm≦ｔ≦0.5mmに設定することにより、均一な分極反転層４６Ａ，４６Ｂを有し、かつ上部溝部２７，２８の加工も良好に行うことが可能な振動体２１を実現できる。
また、１４０°回転Ｙ板LiNbO3単結晶は、従来のＨ形圧電ジャイロ５の圧電体材料として一般に用いられているLiTaO3単結晶に比べ、電気機械結合係数が大きく、また変換効率が高い。このため、本実施例のように、振動体２１を構成する分極反転圧電単結晶として１４０°回転Ｙ板LiNbO3単結晶を使用することにより、圧電ジャイロ２０の小型化を図ることができる。
【００４６】
更に、振動体２１をこの分極反転圧電単結晶構造を有する圧電体４６で形成することにより、従来のＨ形圧電ジャイロ５では必要とされた側面電極１７Ｂ，１７Ｄ，１８Ｂ，１８Ｄ（図４（Ｃ）参照）を不要とすることができる。尚、これについては説明の便宜上、後述するものとする。
【００４７】
続いて、圧電ジャイロ２０の電極の配設構成について、図５に加えて図７を用いて説明する。図７（Ａ）は圧電ジャイロ２０の平面図であり、図７（Ｂ）は圧電ジャイロ２０の底面図である。尚、各図には、各電極の配設位置に加え、各電極の接続回路も合わせて示している。
【００４８】
図７（Ａ）に示すように、上部アーム部２３には上部電極３０〜３３の４個の電極が配設されている。また、上部アーム部２４には上部電極３４〜３７の４個の電極が配設されている。上部電極３０，３１と上部電極３２，３３は、上部アーム部２３をＺ方向から挟むように形成されている。また、上部電極３４，３５と上部電極３６，３７は、上部アーム部２４をＺ方向から挟むように形成されている。この各上部電極３０〜３７は、ニクロム／金の薄膜電極を斜め露光を用いたホトエッチング技術を用いて形成する。
【００４９】
また、図７（Ａ）に示された各上部電極３０〜３７の接続構成から明らかなように、入力端子３８Ａ，３８Ｂに電圧印加した場合、上部電極３０，３２，３５，３７は同一の極性となり、また上部電極３１，３３，３４，３６は同一の極性となる。この際、上部電極３０，３２，３５，３７の極性と、上部電極３１，３３，３４，３６の極性は、逆の極性となる。
【００５０】
一方、図７（Ｂ）に示すように、下部アーム部２５には下部電極４０，４１の２個の電極が配設されている。また、下部アーム部２６には下部電極４２，４３の２個の電極が配設されている。下部電極４０，４１は下部アーム部２５をＺ方向から挟むように形成されており、また下部電極４２，４３は下部アーム部２６をＺ方向から挟むように形成されている。この各下部電極４０〜４３も、ニクロム／金の薄膜電極を斜め露光を用いたホトエッチング技術を用いて形成されている。
【００５１】
尚、下部電極４０は出力端子４４Ａに接続され、下部電極４１は出力端子４４Ｂに接続され、下部電極４２は出力端子４５Ａに接続され、更に下部電極４３は出力端子４５Ｂに接続された構成とされている。
【００５２】
ここで、図７（Ｂ）に示した本実施例に係る下部電極４０〜４３の構造と、図４（Ｃ）に示した従来の下部電極１７Ａ〜１７Ｄ，１８Ａ〜１８Ｄ（ｆｚモード用電極）の構造とを比較する。図４（Ｃ）に示すように、従来では下部電極１７Ａ〜１７Ｄが下部アーム１５の外周四面全てに配設されると共に、下部電極１８Ａ〜１８Ｄが下部アーム１６の外周四面全てに配設された構成とされていた。よって、この従来構成であると、特に溝１４内に形成される電極１７Ｄ，１８Ｄの形成が困難であり、またこの各電極１７Ｄ，１８Ｄに配線を接続するのも困難であった。
【００５３】
これに対して本実施例に係る圧電ジャイロ２０では、下部アーム部２６には一対の下部電極４０，４１が配設されているのみであり、また下部アーム部２６にも一対の下部電極４２，４３が配設されているのみである。よって、本実施例に係る圧電ジャイロ２０は、下部アーム部２５，２６に配設される電極数は、従来のＨ形圧電ジャイロ５に配設される電極数の半数となっている。更に、図７（Ｂ）に示されるように、本実施例では下部溝部２８を構成する側面には電極は形成されていない。従って、従来のように溝１４内に電極１７Ｄ，１８Ｄを形成する必要がある従来構成に比べ、下部電極４０〜４３の形成を容易に行うことができる。また、これに伴い、各下部電極４０〜４３への配線の形成も容易に行うことが可能となる。
【００５４】
続いて、図８乃至図１０を用い、上記構成とされた圧電ジャイロ２０の動作について説明する。尚、各図において、実線の矢印で示すのは分極方向であり、一点鎖線で示すのは電流の流れである。
【００５５】
図９（Ａ）は、本実施例に係る圧電ジャイロ２０の上部アーム部２３,２４の動作を説明するための図である。また、図９（Ｂ）は、比較のために従来のＨ形圧電ジャイロ５の上部アーム部７，８の動作を説明するための図である。
【００５６】
以下の説明においては、説明の便宜上、上部アーム部２３,２４を図９（Ａ）に破線で示す位置で四等に区分し、区分された各領域の動作説明を行うことにより、上部アーム部２３，２４全体の動作を説明するものとする。具体的には、上部アーム部２３の四等分された領域を領域２３Ａ〜２３Ｄとし、また上部アーム部２４の四等分された領域を領域２４Ａ〜２４Ｄとする。これにより、各領域２３Ａ〜２３Ｄ，２４Ａ〜２４Ｄは、それぞれ同一方向に分極された圧電体とみなすことができる。
【００５７】
尚、従来の上部アーム部７，８も同様に四等に区分し、上部アーム部７の四等分された領域を領域７Ａ〜７Ｄとし、また上部アーム部８の四等分された領域を領域８Ａ〜８Ｄとする。
【００５８】
次に、上記のように区分された領域の動作を説明する。図８は、上記のように分離された領域のひとつ（領域４７というものとする）を拡大して示したものである。また、説明の便宜上、この領域４７の分極方向（実線の矢印の向いた方向）の先端に電極４８が設けられ、反対側に電極４９が設けられているものとする。
【００５９】
図８（Ａ）は、電極４８に正電位が印加され、電極４９に負電位が印加された状態を示している。このとき、領域４７は分極方向に対し順方向の電位となる。このとき、圧電体よりなる領域４７は、伸びる（図面に対し、垂直方向に伸びる）挙動を行う。図では、伸びる動作を行う領域には梨地を付すものとする。
【００６０】
逆に、図示しないが電極４８に負電位が印加され、電極４９に正電位が印加された場合は、領域４７は分極方向に対し逆方向の電位となる。このとき、領域４７は縮む（図面に対し、垂直方向に縮む）挙動を行う。
【００６１】
一方、図８（Ｂ）は、領域４７を伸ばす方向に外力が印加された状態を示している。このとき、領域４７の内部には分極方向に対し順方向となる電荷が発生する。これにより、電極４８と電極４９との間には電位差が発生する。この電位差の大きさは、領域４７に印加された外力（即ち、コリオリ力）に相関するため、この電極４８，４９間の電位差を検出することにより、コリオリ力（即ち、ジャイロに印加された加速度）を検知することができる。
【００６２】
上記した事項に基づき、本実施例に係る上部アーム部２３，２４の動作、及び従来の上部アーム部７，８の動作について説明する。
【００６３】
図９（Ａ）に示すように、駆動電源（図示せず）より各電極３０〜３７に駆動電圧が印加されたとする。すると、領域２３Ｂ，２３Ｄ，２４Ａ，２４Ｃにおいては分極方向に対し順方向の電位となり、逆に領域２３Ａ，２３Ｃ，２４Ｂ，２４Ｄにおいては分極方向に対し逆方向の電位となる。
【００６４】
従って、上部アーム部２３は図中左方向に付勢されることとなり、上部アーム部２３に面内振動（ｆｘモードの振動）を発生させることができる。同様に、上部アーム部２４は図中右方向に付勢されることとなり、上部アーム部２３に面内振動（ｆｘ振動モード）を発生させることができる。
【００６５】
一方、図９（Ｂ）に示すように、従来構成の各電極１１Ａ〜１１Ｈに駆動電圧が印加されたとすると、領域７Ｂ，７Ｄ，８Ａ，８Ｃにおいては分極方向に対し順方向の電位となり、逆に領域７Ａ，７Ｃ，８Ｂ，８Ｄにおいては分極方向に対し逆方向の電位となる。
【００６６】
従って、上部アーム部７は図中左方向に付勢されることとなり、上部アーム部７に面内振動（ｆｘモードの振動）を発生させることができる。同様に、上部アーム部８は図中右方向に付勢されることとなり、上部アーム部８に面内振動（ｆｘモードの振動）を発生させることができる。
【００６７】
上記の説明から明らかなように、本実施例の如く振動体２１として分極反転圧電単結晶を使用しても、駆動部となる上部アーム部２３，２４に面内振動（ｆｘモードの振動）を発生させることができる。
【００６８】
次に、本実施例に係る上部アーム部２３，２４の動作、及び従来の上部アーム部７，８の動作について説明する。
【００６９】
図１０（Ａ）は、本実施例に係る圧電ジャイロ２０の下部アーム部２５，２６の動作を説明するための図である。また、図１０（Ｂ）は、比較のために従来のＨ形圧電ジャイロ５の下部アーム１５，１６の動作を説明するための図である。
【００７０】
また、以下の説明においても、説明の便宜上、下部アーム部２５，２６を図１０（Ａ）に破線で示す位置で四等に区分し、区分された各領域の動作説明を行うことにより、下部アーム部２５，２６全体の動作を説明するものとする。具体的には、下部アーム部２５の四等分された領域を領域２５Ａ〜２５Ｄとし、また下部アーム部２６の四等分された領域を領域２６Ａ〜２６Ｄとする。これにより、各領域２３Ａ〜２３Ｄ，領域２６Ａ〜２６Ｄは、それぞれ同一方向に分極された圧電体とみなすことができる。
【００７１】
尚、図１０（Ｂ）に示すように、従来の下部アーム１５，１６も同様に四等に区分し、下部アーム１５の四等分された領域を領域１５Ａ〜１５Ｄとし、また下部アーム１６の四等分された領域を領域１６Ａ〜１６Ｄとする。
【００７２】
図１０（Ａ）に示すように、検出部として機能する下部アーム部２５，２６にコリオリ力が印加され、これにより面垂直振動（ｆｚ振動モード）が発生したとする。この面垂直振動が発生すると、領域２５Ａ，２５Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄにおいては伸び方向の力が印加され、よって各領域２５Ａ，２５Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄ内は分極方向に対し順方向の電荷が発生する。逆に、領域２５Ｃ，２５Ｄ，２６Ａ，２６Ｂにおいては縮み方向の力が印加され、よって領域２５Ｃ，２５Ｄ，２６Ａ，２６Ｂ内は分極方向に対し逆方向の電荷が発生する。
【００７３】
ここで、領域２５Ａと領域２５Ｃ、領域２５Ｂと領域２５Ｄ、領域２６Ａと領域２６Ｃ、及び領域２６Ｂと領域２６Ｄの各境界部分に注目する。本実施例のように、下部アーム部２５,２６を構成する圧電材として分極反転圧電単結晶を用いたことにより、各境界部においては、正電荷（＋電荷）と負電荷（−電荷）が対峙した状態となる。
【００７４】
従って、領域２５Ａと領域２５Ｃを例に挙げると、領域２５Ａの分極方向先端側の正電荷は、下部電極４０に向け領域２５Ｃに進行することができる。また、領域２５Ｃの分極方向先端側の負電荷は、下部電極４１に向け領域２５Ａに進行することができる。これにより、本実施例に係る圧電ジャイロ２０では、下部アーム部２５に一対の下部電極４０，４１を設け、下部アーム部２６に一対の下部電極４２，４３を設けるだけで、各アーム部２５，２６に発生する電位を検出することが可能となる。
【００７５】
これに対し、従来のＨ形圧電ジャイロ５では、次のように動作となる。即ち、
図１０（Ｂ）に示すように、検出部として機能する下部アーム部１５，１６にコリオリ力が印加され、これにより面垂直振動（ｆｚ振動モード）が発生したとする。この面垂直振動が発生すると、領域１５Ａ，１５Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄにおいては伸び方向の力が印加され、よって各領域１５Ａ，１５Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ内は分極方向に対し順方向の電荷が発生する。逆に、領域１５Ｃ，１５Ｄ，１６Ａ，１６Ｂにおいては縮み方向の力が印加され、よって領域１５Ｃ，１５Ｄ，１６Ａ，１６Ｂ内は分極方向に対し逆方向の電荷が発生する。
【００７６】
ここで、領域１５Ａと領域１５Ｃ、領域１５Ｂと領域１５Ｄ、領域１６Ａと領域１６Ｃ、及び領域１６Ｂと領域１６Ｄの各境界部分に注目する。従来構成のように、下部アーム部１５,１６を構成する圧電材が一方向のみの分極特性を有する圧電単結晶を用いた場合、各境界部においては、同種の電荷同士（正電荷と正電荷、負電荷と負電荷）が対峙した状態となる。
【００７７】
領域１５Ａと領域１５Ｃを例に挙げると、この状態では領域１５Ａの分極方向先端側の正電荷は領域１５Ｃの分極方向後端側の正電荷と反発し合い、よって正電荷は下部アーム１５の中央位置に蓄成された状態となる。いま、仮に下部アーム１５に電極１７Ａ，１７Ｃのみしか配設されていない構成を想定すると、各電極１７Ａ，１７Ｃは共に負電位となり、下部アーム１５の面垂直方向の振動に伴い発生する電位差を検出することができない。このため、従来のＨ形圧電ジャイロ５では、下部アーム１５，１６の側部に電極１７Ｂ，１７Ｄ，１８Ｄ，１８Ｂを形成する必要があった。
【００７８】
これに対し、上記したように本実施例に係る圧電ジャイロ２０によれば、下部アーム部２５，２６の側部に電極を設けることなく、面垂直方向の振動に伴い発生する電位差を検出することができるため、電極構造の簡単化及び各電極に接続される接続配線の簡単化を図ることができる。
【００７９】
ところで、上記構成とされた圧電ジャイロ２０は、振動体２１として分極反転圧電単結晶（１４０°回転Ｙ板LiNbO3単結晶）を使用している。この１４０°回転Ｙ板LiNbO3単結晶は、前記したように電気機械結合係数が大きく、変換効率が高いため、圧電ジャイロの小型化を図ることができる。
【００８０】
しかしながら、単に圧電ジャイロ２０のH形構造を比例縮小すると、圧電ジャイロ２０の支持を行うベース部２２の被支持可能範囲も同様に狭くなり、実装が困難になる。ここで実装とは、圧電ジャイロ２０を収納するハウジングに取り付けることをいう。即ち、圧電ジャイロ２０は各アーム部２３〜２６が自在に変位可能な状態とする必要があり、このため支持部材を用いて圧電ジャイロ２０をハウジングに宙吊り状態となるよう支持させることが行われている。
【００８１】
上記のように圧電ジャイロ２０が小型化し、ベース部２２が小さくなると、支持部材をベース部２２に配設することができなくなる。そこで、本実施例では、図５に示すように、ベース部２２の長さ（Ｌ１）を各アーム部２３〜２６のアーム幅（Ｌ２）の４倍以上２０倍以下（４≦（Ｌ１／Ｌ２）≦２０）に設定した。
この構成とすることにより、振動発生時において、支持部材となるベース部２２の中央付近における変位の傾きが小さくなるため、支持可能範囲を広げることができる。よって、上記のように圧電ジャイロ２０を小型化しても、ハウジングに対する実装の自由度を増すことができる。尚、この構成としても、面内振動（ｆｘ振動モード）の分布が変わるようなことはない。
【００８２】
また、圧電ジャイロ２０をハウジングに実装する際、支持部材による支持の影響がジャイロ特性に及ばないようにすることが重要である。このため，本実施例では、支持部材２９Ａとして70μmφの柔らかい銅線を用い、これをベース部２２の中央位置に設けた構成としている。図１１（Ａ）は、支持部材２９Ａ近傍を拡大して示す図である。
【００８３】
図５及び図１１（Ａ）に示すように、本実施例に係る支持部材２９Ａは、70μmφの柔らかい銅線をベース部２２の中央部に一回巻回してループを形成し、その両端部をベース部２２の側部から外部向け延出させた構成としている。また、支持部材２９Ａのベース部２２に巻回された部分は、例えばエポキシ系の接着剤５０（図１１に梨地で示す）にて固定された構成とされている。この構成とすることにより、支持構造の簡単を図ることができると共に、ジャイロ特性に支持の影響が現れることを抑制することができる。
【００８４】
尚、この接着剤５０は接着強度を維持しうる範囲でできるだけ薄く形成されており、よって表面張力の作用等により固化した状態でその厚さが70μm以下となっている。従って、接着剤５０が圧電ジャイロ２０の特性に大きく影響を与えるようなことはない。
【００８５】
図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示した支持部材２９Ａの変形例を示している。支持部材２９Ａは銅線でループを形成し、このループをベース部２２の中央部に巻回した構成とした。これに対して変形例では、70μmφの柔らかい銅線をＴ字上に整形し、これをベース部２２の中央側面に接着剤５０で接着した構成としたものである。この構成とすることによっても、支持構造の簡単を図ることができると共に、ジャイロ特性に支持の影響が現れることを抑制することができる。
図１２は、図５に示した圧電ジャイロ２０の検出電荷量−角速度特性を、支持部材２９Ａに代えて0.5mmタングステン棒をエポキシ系接着剤で固定することにより支持部材とした圧電ジャイロと比較して示す図である。図中Ａで示すのが圧電ジャイロ２０の特性であり、Ｂで示すのが0.5mmタングステン棒を用いた圧電ジャイロの特性である。同図より、本実施例に係る圧電ジャイロ２０の方が、0.5mmタングステン棒を用いた圧電ジャイロに比べて高い特性を得ることができることが判る。
【００８６】
尚、角速度測定条件は、１Ｖppでｆx振動モードの共振周波数で駆動し、回転テーブルを正弦波で往復駆動した。また、検出はチャージアンプで行い、同期検波を行って発生電荷量を測定した。
【００８７】
また、比較のために、これまでのLiTaO3H形単結晶圧電ジャイロと比較した値を示した。形状が、1/8（体積比）であり、両モードの共振周波数も未調整（Δｆ＝1.3ｋＨｚ）にもかかわらず、ほぼ同等の感度特性を示している。
【００８８】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
請求項１及び請求項２記載の発明によれば、分極反転圧電単結晶を圧電体として用いているため、側面電極を形成することなしに駆動部の駆動及び検出部からの電荷検出を行なうことが可能となり、電極構造及び電極形成の簡単化を図ることができる。
【００８９】
また、請求項３及び請求項４記載の発明によれば、分極反転圧電単結晶として１４０°±１５°回転Ｙ板ニオブ酸リチウム圧電単結晶、または１３０°±１５°回転Ｙ板タンタル酸リチウム圧電単結晶を使用することにより、圧電ジャイロの小型化を図ることができる。
【００９０】
また、請求項１及び請求項５記載の発明によれば、振動モード間の結合が少なくなるため、特性の向上を図ることができる。
【００９１】
また、請求項６記載の発明によれば、支持部となるベース部中央付近の変位の傾きが小さくなるため、支持可能範囲が広がり、実装の自由度を増すことができる。
【００９２】
更に、請求項７及び請求項８記載の発明によれば、支持構造の簡単を図ることができると共に、ジャイロ特性に支持の影響が現れることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】角速度センサ（ジャイロ）の角速度測定精度と応用分野の関係を説明するための図である。
【図２】圧電ジャイロの動作原理の説明図である。
【図３】圧電ジャイロの開発の基本的な流れを説明するための図である。
【図４】従来のＨ形ＬｉＴａＯ３圧電ジャイロの構造を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施例である圧電ジャイロの全体構成を説明するための図である。
【図６】分極反転圧電単結晶よりなる圧電体を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施例である圧電ジャイロの電極構成を説明するための図である。
【図８】圧電体の基本動作を説明するための図である。
【図９】本発明の一実施例である圧電ジャイロの上部アーム部の動作を、従来の圧電ジャイロの上部アームの動作と比較しつつ説明するための図である。
【図１０】本発明の一実施例である圧電ジャイロの下部アーム部の動作を、従来の圧電ジャイロの下部アームの動作と比較しつつ説明するための図である。
【図１１】本発明の一実施例である圧電ジャイロに設けられる支持部材を説明するための図である。
【図１２】本発明の一実施例である圧電ジャイロの特性を従来と比較しつつ説明するための図である（その１）。
【図１３】本発明の一実施例である圧電ジャイロの特性を従来と比較しつつ説明するための図である（その２）。
【符号の説明】
２０  圧電ジャイロ
２１  振動体
２２  ベース部
２３，２４  上部アーム部
２５，２６  下部アーム部
２７  上部溝部
２８  下部溝部
２９Ａ，２９Ｂ  支持部材
３０〜３７  上部電極
４０〜４３  下部電極
４７Ａ，４７Ｂ  分極反転層
【図１】
0003838479.tif 000002
【図２】
0003838479.tif 000003
【図３】
0003838479.tif 000004
【図４】
0003838479.tif 000005
【図５】
0003838479.tif 000006
【図６】
0003838479.tif 000007
【図７】
0003838479.tif 000008
【図８】
0003838479.tif 000009
【図９】
0003838479.tif 000010
【図１０】
0003838479.tif 000011
【図１１】
0003838479.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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