JP2004020294A

JP2004020294A - 圧電振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2004020294A
Application number: JP2002173555A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Nakamura; 中村僖良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】本発明の目的は、環境温度が変化しても、角速度検出感度が変化しない安定な圧電振動ジャイロを提供することにある。
【解決手段】本発明は、圧電振動ジャイロに共振周波数温度係数がほぼ等しい二つの振動モード使用することにより感度の温度依存性を非常に小さくすることを考案し、またそのような圧電振動子として三方晶系圧電結晶のＺ板に近いカットの直交厚みすべり振動が適していることを見出し、これに適した電極構成を示したもので、これにより非常に安定な角速度センサが実現できる。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度センサや振動センサなどに用いられる圧電形振動ジャイロスコープ（以下、圧電振動ジャイロと称す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動ジャイロは、角速度センサとして、ＶＴＲ画像の手ぶれ補正、姿勢制御システム、カーナビゲーションシステム等様々な分野に利用されている。
圧電振動ジャイロは、圧電振動子の振動変位が互いに直交する二つの振動モードのうち、一方の振動モードを駆動し、回転角速度が作用した時にコリオリ力によって他方の振動モードが励振されることを利用した角速度センサであり、高いセンサ感度を得るためには二つの振動モードの共振周波数が互いに近接していることが望ましい。
【０００３】
図１１は、従来の圧電振動ジャイロの一例として、特願平９−１９３１８１で開示されている圧電振動ジャイロの斜視図を示したものであり、座標軸（ｘ，ｙ，ｚ）を同図に示すように選ぶ。圧電振動子には例えばＬｉＴａＯ_３の１５９°回転Ｙ板を用いる。板の上表面の二つの電極１０、１１と下面の電極１２との間に電圧を加えると、いわゆる垂直電界励振によりｘ方向（回転Ｙ板のＹ’方向）変位の厚みすべり振動が駆動される。この振動モードを駆動モードと呼ぶ。この状態で板面に垂直なｚ軸の周りの回転角速度Ω_０が加わると、コリオリ力によりΩ_０に比例した振幅のｙ方向（回転Ｙ板のＸ方向）変位の厚みすべり振動（検出モード）が励振され、圧電効果を介して板面に平行なｙ方向の電界が生じる。この電界を上面の電極１０、１１の間の電位差として検出してやれば、その振幅はΩ_０に比例するので回転角速度Ω_０を知ることができる。二つの厚みすべり振動の共振周波数は、電極寸法などを調節して近接させることが可能である。
【０００４】
しかしながら、ＬｉＴａＯ_３の１５９°回転Ｙ板では、この二つの振動の共振周波数の温度係数はそれぞれ約−２３ｐｐｍ／℃および約４ｐｐｍ／℃であり、零温度係数とはなっていない。この共振周波数の温度による変化のため、駆動振幅および回転角速度が一定でも圧電振動ジャイロの出力振幅が温度で変化することになる。このような温度による感度の変化は実用上大きな問題であり、環境温度が変化しても感度が変化しないことが要求される。しかし、使用する二つの振動モードの共振周波数が互いに近接し、且つその共振周波数の温度係数が共に零の圧電振動ジャイロを構成することは容易ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、環境温度が変化しても、角速度検出感度がほとんど変化しない安定な圧電振動ジャイロを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、圧電振動ジャイロに使用する二つの振動モードの共振周波数の温度係数が、たとえ小さくなくても、両モードの共振周波数温度係数がほぼ等しいならば、両振動モードのアドミタンス特性の相対的関係に変化は生じないので、感度の温度依存性を非常に小さくすることができるとの着想を得た。図１は、その原理の定性的説明図である。すなわち、二つの振動モードのうち駆動モードをｘモード、検出モードをｙモードと呼び、周波数をｆとすると、温度Ｔ_１における駆動電極から見たｘ，ｙモードのアドミタンスＹ_ｘ１（ｆ）、Ｙ_ｙ１（ｆ）の絶対値の周波数特性は一般には図１の実線のようになっている。アドミタンス最大の周波数が共振周波数である。もし両モードの共振周波数が一致していれば、Ｙ_ｘ１（ｆ）とＹ_ｙ１（ｆ）のピークの周波数が一致したアドミタンス特性になることは言うまでもない。駆動回路に自励発振回路を用いれば、その共振周波数付近の周波数ｆ_１で発振が生じる。次に、温度がＴ_２に変化した場合を考える。実用的な多くの圧電振動子では、温度変化により、共振周波数と反共振周波数の間隔はほとんど変わらない。したがって両振動モードの共振周波数温度係数が等しいならば、両モードのアドミタンスＹ_ｘ２（ｆ）、Ｙ_ｙ２（ｆ）の絶対値の周波数特性は、図１の破線で示すようにそれぞれＹ_ｘ１（ｆ）、Ｙ_ｙ１（ｆ）を周波数軸上で同じ量だけシフトしたものとなる。温度Ｔ_２における自励発振は、Ｙ_ｙ１（ｆ）の値が周波数ｆ_１におけるＹ_ｘ１（ｆ）の値と同じになるような周波数ｆ_２で起こる。すなわち、次式が成り立つ。
【０００７】
【数１】Ｙ_ｘ１（ｆ_１）≒Ｙ_ｘ２（ｆ_２）
【０００８】
【数２】Ｙ_ｙ１（ｆ_１）≒Ｙ_ｙ２（ｆ_２）
【０００９】
圧電振動ジャイロの感度は駆動周波数における両振動モードのアドミタンスで決まる。したがって、上式より、温度Ｔ_１における両モードのアドミタンスＹ_ｘ１（ｆ_１）、Ｙ_ｙ１（ｆ_１）と、温度Ｔ_２における両モードのアドミタンスＹ_ｘ２（ｆ_２）、Ｙ_ｙ２（ｆ_２）はそれぞれほぼ等しいので、温度が変化しても、周波数がシフトするのみでジャイロの動作状態は変わらず、ジャイロ感度もほとんど変化しないことになる。
【００１０】
上記のような高安定な圧電振動ジャイロを実現するためには、使用する両振動モードの共振周波数の温度係数がほぼ等しいような圧電振動子が必要である。その上、ジャイロの感度をできるだけ高くするためには両振動モードの共振周波数も互いにほぼ等しいことが望ましい。本発明者は、これらの条件を満足し振動ジャイロに適する圧電振動子を見出した。
以上のような手段により、感度が温度により変化しない高安定な圧電振動ジャイロを実現することができる。
【００１１】
すなわち、この発明の要旨構成は、次のとおりである。
（１）圧電振動子を利用した角速度センサである圧電振動ジャイロにおいて、共振周波数の温度係数がほぼ等しい二つの振動モードを使用することにより、感度の温度依存性を非常に小さくしたことを特徴とする該圧電振動ジャイロ。
【００１２】
（２）結晶のＺ軸を光学軸とする三方晶系圧電単結晶から、結晶Ｚ軸に対して板主面の法線が平行または１０°以下の傾きとなるように切り出された平板状圧電単結晶の互いに振動変位が直交する二つの厚みすべり振動を用いたことを特徴とする上記（１）記載の圧電振動ジャイロ。
【００１３】
（３）平板状圧電単結晶の一方の主面あるいは両主面に電極を付け、その電極を互いに直交する二つの線に沿って分割し、その分割された電極を利用して二つの厚みすべり振動の駆動ならびに検出を行うことを特徴とする上記（１）又は（２）記載の圧電振動ジャイロ。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を実施例１および実施例２に基づいて説明する。
【００１５】
【実施例１】
実施例１は、圧電板の振動変位が互いに直交する二つの厚みすべり振動モードを用い、共振周波数ならびに共振周波数温度係数が両モードで互いにほぼ等しいことを特徴とする圧電振動ジャイロに関する。図２（ａ）は実施例１の圧電振動ジャイロ構成を示す斜視図であって、圧電基板１として、三方晶系圧電結晶であるＬｉＴａＯ_３のＺ板を用い、その上面のほぼ中央に、同図に示す座標軸（結晶軸）のＸ軸に平行および垂直な線に沿って４つに分割した電極２、３、４、５を付着する。電極２、３、４、５から圧電基板１の端部に向かってそれぞれリード電極を延在し、電極４，５の端部電極パッドを短絡して電極４，５を駆動電極とし、また電極２，３をそれぞれ検出電極▲１▼、検出電極▲２▼とする。電極形状としては図２（ｂ）、（ｃ）のようなものでもよい。電極の形状は重要ではなく、平行電界が印加される空隙部の形状が縦、横の中心線に対して対称になっていることが望ましい。
【００１６】
圧電板の周辺部の片面又は両面をエッチングして板厚を小さくすることにより、振動エネルギーを板厚の大きな中央部に閉じ込めることができ、これにより、特性に影響を与えずに圧電板周辺部で素子を支持・固定することができるため、ジャイロの小形化が可能になる。図２（ｄ）は、図２（ａ）の電極を形成した面と反対の面を周辺部のみエッチングして薄くした実施例を示したもので、エッチングした面が上になるように描いてある。
【００１７】
また、圧電板の一方の面だけでなく裏面にも分割電極をつけ、両面の対応する電極を短絡して使用することもできる。
【００１８】
ここで、圧電振動ジャイロの動作の理解を助けるため、平行電界励振によって励振される二つの厚みすべり振動モードについて少しく説明する。
図２（ａ）の電極２と３、ならびに電極４と５をそれぞれ短絡し、その間に駆動電圧を印加すると、電界の向きは概ね圧電基板１の主面に平行かつＸ軸に平行になり、所謂平行電界励振となる。このＸ軸方向平行電界励振により、Ｘ軸方向に振動変位を有する厚みすべり振動６が駆動される。また、電極２と４、ならびに電極３と５をそれぞれ短絡し、その間に駆動電圧を印加すると、電界の向きは概ね圧電基板１の主面に平行かつＹ軸に平行となり、Ｙ軸方向に変位を有する厚みすべり振動７が駆動される。
【００１９】
以上の考察をふまえて図２（ａ）の動作態様について説明する。図３は図２（ａ）の平面図を示したものであり、電極２、３および電極４、５の間のＸ方向電極間隙をｇ_ｘ、電極２、４および電極３、５の間のＹ方向電極間隙をｇ_ｙとする。ｘモードの駆動は、隣り合う二つの電極４と５を短絡して電圧を印加して行い、ｙモードの検出は検出用電極２と検出用電極３の差動電圧出力を取り出して行う（図７参照）。Ｘ軸方向の電極形状とＹ軸方向の電極形状が同じであれば両振動モードの共振周波数は理論的に等しいので高いジャイロ感度を得ることができる。また、回転角速度が加わらない状態で、駆動電圧の出力への洩れを防ぐには、検出用電極２と検出用電極３への不平衡電圧が生じないよう、電極形状を図３に示す如くＸ軸に平行な中心線８ならびにＹ軸に平行な中心線９に関してそれぞれほぼ対称にすることが望ましい。
【００２０】
本発明の原理に基づいて、温度で感度が変化しない高安定な圧電振動ジャイロを実現するためには、使用する二つの直交モードの共振周波数温度係数が互いにほぼ等しい必要があり、かつ感度を高くするためには共振周波数も互いにほぼ等しいことが望ましい。本発明者は、共振周波数やその温度係数が二つの振動モードで互いに等しいか、または非常に近いような圧電振動ジャイロとして、三方晶系の圧電結晶のＺ板またはこれに近いカットの直交する二つの厚みすべり振動を利用した圧電振動子が適していることを見出した。すなわち、結晶のＺ軸を光学軸とする三方晶系圧電単結晶から、該結晶のＺ軸に対して板主面の法線が平行または１０°以下の傾きとなるように切り出された平板状圧電単結晶の二つの厚みすべり振動を用いる圧電振動ジャイロが上記要件を満足することを見出した。図４（ａ）はＬｉＴａＯ_３結晶のＺ軸から主面法線が−Ｙ軸方向に角度θ傾くようにカットした板を示しており、図４（ｂ）はこの板における両厚みすべり振動モードの周波数定数（共振周波数×板厚）のθ依存性を理論計算したものである。破線はＸ方向の電界により励振されるＸ方向変位厚みすべり振動、実線はＹ’軸（結晶Ｙ軸を板主面に射影した軸）方向の電界で励振されるＹ’軸方向変位厚みすべり振動をそれぞれ示している。θ＝０°すなわちＺ板において、両モードの共振周波数が一致することがわかる。また、回転角θに対する両平行電界励振の電気機械結合係数ｋおよび共振周波数温度係数ＴＣＦの依存性を計算すると、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すようになる。やはり破線はＸ方向厚みすべり振動６、実線はＹ’軸方向に変位を有する厚みすべり振動７をそれぞれ示している。θ＝０°すなわちＺ板において、両モードの電気機械結合係数はいずれも約０．４１と大きく、両厚みすべり振動が強勢に励振できること、また両モードの共振周波数温度係数ＴＣＦが等しいことが分かる。
【００２１】
直交する二つのモードの電気端子アドミタンス特性を測定し、共振周波数、電気機械結合係数、ならびに共振周波数温度特性を求める実験を行った。試作した圧電振動ジャイロは圧電基板として厚さ２ｍｍのＬｉＴａＯ_３Ｚ板を用い、電極には、クロム−金（Ｃｒ−Ａｕ）の蒸着膜を用いた。
二つの直交する厚みすべり振動の共振周波数をアドミタンスの測定より求めた。Ｘ方向変位の厚みすべり振動のアドミタンスは電極２と３、および電極４と５をそれぞれ短絡し、その間で測定した。また、Ｙ方向変位の厚みすべり振動のアドミタンス特性は、電極２と４、および電極３と５をそれぞれ短絡して、その間で測定した。両モードに関するアドミタンス特性を、それぞれ図５に示す。図５から両モードの共振周波数がほぼ合っていることが分かる。また、両モードの実効的電気機械結合係数の測定値は約０．２５で、ほぼ等しいことが分かる。厚み方向の伝搬のみを考慮した理論値より小さいのは、板面内の広い範囲が振動しているにもかかわらず圧電的駆動力は電極間隙部にのみ働くためである。
【００２２】
図６は両モードの共振周波数の温度依存性を実測した結果を示した図である。両モードともに共振周波数温度係数は厚み方向の伝搬のみを考慮した理論値よりやや大きいが、両モードの温度係数は予測したようにほぼ等しいことから、温度変化による共振周波数の相対的ずれはほとんどなく、感度の温度依存性はほとんどないと考えられる。
【００２３】
圧電振動ジャイロの駆動・検出の回路構成を図７に示す。４つの電極のうち隣り合う二つの電極４と５を短絡して駆動電極とし、他の二つの電極２と３をそれぞれ検出電極▲１▼、検出電極▲２▼とする。検出電極▲１▼、検出電極▲２▼のそれぞれに入力インピーダンスの小さな電流検出回路をつなぐ。フィードバック・ループにより自励発振回路を構成し共振周波数付近の発振電圧が駆動電極に加わるようにすると、Ｘ方向変位の厚みすべり振動が励振される。この状態で面に垂直なＺ軸周りの回転角速度Ω_０が加わると、コリオリ力によりΩ_０に比例した振幅のＹ方向変位厚みすべり振動が励振され、圧電効果によりＹ方向電界が生じる。このため検出電極▲１▼と検出電極▲２▼の間にはΩ_０に比例する振幅の電位差が生じる。両出力電圧を差動増幅回路に入れて出力を検出することにより回転角速度Ω_０を知ることができる。両振動モードの共振周波数温度係数が同じ場合には、温度変化により共振周波数がシフトしても、自励発振周波数と両振動モードの共振周波数の相対的関係に変化は生じないので、感度の温度による変化は生じない。このため安定な圧電振動ジャイロが実現できる。
【００２４】
ＬｉＴａＯ_３Ｚ板を用いた本例の圧電振動ジャイロに図７のように駆動・検出回路をつないだ場合について測定を行った。振動ジャイロの角速度に対する出力電圧の特性を図８に示す。角速度に対して出力電圧がほぼ比例した圧電振動ジャイロが得られた。
【００２５】
図９に振動ジャイロの出力電圧感度（出力電圧／角速度）の温度依存性を示す。測定値に多少のバラツキはあるものの感度は温度によりほとんど変化しないことが分かる。この特性より本発明の目的が達成されたことがわかる。
【００２６】
電極材料にクロム−金（Ｃｒ−Ａｕ）を用いた例をあげたが、他の金属でよいことは説明するまでもない。
【００２７】
【実施例２】
以上では圧電基板にＬｉＴａＯ_３を用いた場合を説明したが、次に別の実施例として、三方晶系圧電結晶であるＬｉＮｂＯ_３結晶のＺ板の厚みすべり振動を用いた圧電振動ジャイロについて説明する。図１０（ａ）はＬｉＮｂＯ_３の結晶Ｚ軸に対して板主面の法線が結晶の−Ｙ軸方向にθ°傾くように切り出された平板状振動子を示しており、図１０（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）は、この振動子における二つの平行電界励振厚みすべり振動モードの周波数定数（共振周波数×板厚）、電気機械結合係数、および共振周波数温度係数ＴＣＦのθ依存性をそれぞれ示す。θ＝０°すなわちＺ板において、両モードの共振周波数が一致し、両厚みすべり振動の共振周波数温度係数も等しく、かつ大きな電気機械結合係数を有することが分かる。
【００２８】
以上のことから、本発明に係る圧電振動ジャイロには、ＬｉＮｂＯ_３のＺ板も適していると言える。同様に三方晶系圧電結晶である水晶単結晶（ＳｉＯ_２）のＺ板も、Ｘ方向変位厚みすべり振動およびＹ方向変位厚みすべり振動の共振周波数ならびに共振周波数温度係数がそれぞれ一致しており、本発明の圧電振動ジャイロの振動子として適している。ただし、水晶の場合はＸ方向電界によりＹ方向変位厚みすべり振動が励振され、逆にＹ方向電界によりＸ方向変位厚みすべり振動が励振される点がＬｉＴａＯ_３やＬｉＮｂＯ_３の場合と異なるが、その他は全く同様である。
【００２９】
また、これらの結晶から、板主面の法線の結晶Ｚ軸からの傾きが１０°以内になるように切り出した板も十分使える。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、二つの直交する振動モードの温度係数がほぼ同じであるような圧電振動子を用いれば、たとえ両振動モードの共振周波数が温度により変化しても、両振動モードのアドミタンス周波数特性の相対的関係が温度でほとんど変わらないことを利用して、感度の温度依存性が非常に小さな高安定圧電振動ジャイロを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電振動ジャイロの感度の温度依存性を非常に小さくする方法の原理を定性的に説明する図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る圧電単結晶の厚みすべり振動を用いた圧電振動ジャイロの実施の一形態例を示す斜視図、（ｂ）および（ｃ）は他の電極実施例、（ｄ）は圧電板の電極をつけた面と反対側の面の周辺部をエッチングして板厚を薄くし、振動エネルギーを板厚の大きな中央部へ閉じ込めた圧電振動ジャイロの例である。
【図３】本発明に係る圧電単結晶の厚みすべり振動を用いた圧電振動ジャイロの実施の一形態例を示す平面図である。
【図４】本発明に係る振動ジャイロに用いる圧電振動子として、主面法線が結晶Ｚ軸から結晶Ｙ軸方向に角度θだけ傾くようにカットしたＬｉＴａＯ_３結晶板（ａ）を用いる場合について、両厚みすべり振動モードの（ｂ）周波数定数（共振周波数×板厚）、（ｃ）電気機械結合係数ｋおよび（ｄ）共振周波数温度係数ＴＣＦのカット角θに対する依存性を計算したものである。
【図５】本発明に係るＬｉＴａＯ_３結晶Ｚ板を用いた圧電振動ジャイロの実施例における、Ｘ方向変位の厚みすべり振動のアドミタンスとＹ方向変位の厚みすべり振動のアドミタンス特性の測定例を示す。
【図６】本発明に係るＬｉＴａＯ_３結晶Ｚ板を用いた圧電振動ジャイロの実施例における、Ｘ方向変位厚みすべり振動およびＹ方向変位厚みすべり振動の共振周波数温度依存性の測定例である。
【図７】本発明に係るＬｉＴａＯ_３結晶Ｚ板を用いた圧電振動ジャイロの実施例における、駆動・検出回路例のブロック図である。
【図８】本発明に係るＬｉＴａＯ_３結晶Ｚ板を用いた圧電振動ジャイロの実施例における、角速度と出力電圧の関係の実測結果を表す図である。
【図９】本発明に係るＬｉＴａＯ_３結晶Ｚ板を用いた圧電振動ジャイロの実施例における、出力電圧感度の温度依存性の測定例である。
【図１０】本発明に係る振動ジャイロに用いる圧電振動子として、主面法線が結晶Ｚ軸から結晶の−Ｙ軸方向に角度θだけ傾くようにカットしたＬｉＮｂＯ_３結晶板（ａ）を用いる場合について、両厚みすべり振動モードの（ｂ）周波数定数（共振周波数×板厚）、（ｃ）電気機械結合係数ｋおよび（ｄ）共振周波数温度係数ＴＣＦのカット角θに対する依存性を計算したものである。
【図１１】従来の圧電振動ジャイロの一例として、以前本発明者が発明した圧電振動ジャイロの斜視図を示したものである。
【符号の説明】
１・・圧電基板
２、３、４、５・・電極
６、７・・厚みすべり振動変位方向
８、９・・電極形状のＸ軸およびＹ軸に平行な中心線
１０，１１，１２・・電極
ｇ_ｘ，ｇ_ｙ・・電極間隙

Claims

圧電振動子を利用した角速度センサである圧電振動ジャイロにおいて、共振周波数の温度係数がほぼ等しい二つの振動モードを使用することにより、感度の温度依存性を非常に小さくしたことを特徴とする該圧電振動ジャイロ。
結晶のＺ軸を光学軸とする三方晶系圧電単結晶から、結晶Ｚ軸に対して板主面の法線が平行または１０°以下の傾きとなるように切り出された平板状圧電単結晶の互いに振動変位が直交する二つの厚みすべり振動を用いたことを特徴とする請求項１記載の圧電振動ジャイロ。
平板状圧電単結晶の一方の主面あるいは両主面に電極を付け、その電極を互いに直交する二つの線に沿って分割し、その分割された電極を利用して二つの厚みすべり振動の駆動ならびに検出を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧電振動ジャイロ。