JP2006105659A - 圧電振動ジャイロ及びその感度調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、低コストで、かつ高精度な圧電振動ジャイロと、その感度調整方法を提供すること。
【解決手段】 圧電振動ジャイロに用いる圧電振動子として、Ｘ軸方向の屈曲振動である駆動振動モードを励振する駆動電極３ａ，３ｂと、Ｚ軸を軸として加えられる角速度をＹ軸方向のコリオリ力の振動である検出振動モードを検出する検出電極４ａ，４ｂの他に、駆動振動モードを検出するモニタ電極６ａ，６ｂが設けられ、圧電単結晶で構成された圧電振動子を採用し、駆動振動モードを自発励振するための自発励振回路の他に、モニタ電極の出力振幅を一定値に保持するように、駆動電極に印加する駆動信号を調整する自動利得制御回路を設けるとともに、検出電極４ａ，４ｂまたはモニタ電極６ａ，６ｂの少なくともいずれかにトリミングを施し、高精度の感度調整を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車のナビゲーションシステム、姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲの手ぶれ防止装置などに用いられるジャイロスコープに関し、特に圧電振動ジャイロと、その感度調整方法に関するものである。

振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。

具体的には、電気的な信号を印加することで機械的な振動、つまり駆動振動モードを励起させることができ、かつ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動、つまり検出振動モードの大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動振動モードを励振した状態で、駆動振動モードの振動面と検出振動モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出振動モードが発生し、出力電圧として検出される。

検出された出力電圧は、駆動振動モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。振動ジャイロの中でも、電気的信号と機械的振動の変換を圧電効果で行うものを圧電振動ジャイロと称する。

圧電振動ジャイロは、安価で小型に構成できるので、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの手ぶれ検出用センサとして、広く利用されている。近年、これら携帯用デジタル機器の小型化、機能の高集積化が益々進められるに伴い、圧電振動ジャイロヘの、さらなる小型化、低コスト化の要求が高まってきた。

圧電振動ジャイロの小型化を図る上で、解決すべき課題の一つとして、小型化に伴って生じる、圧電振動子の加工精度や組み立て精度のばらつきの相対的な増加に対処するため、効率の高い補正手段を考える必要性が挙げられる。これらのばらつきは、圧電振動子の駆動振動モードと検出振動モードの共振周波数差（以下、△ｆ）のばらつきに影響を与え、△ｆのばらつきは、圧電振動ジャイロの検出感度のばらつきに大きな影響を与える。

従来、このような圧電振動子の加工精度、組み立て精度のばらつきに起因する検出感度のばらつき調整は、圧電振動子を組み立てた後、△ｆを機械的加工などで調整し、一定の範囲のばらつきに収束させ、最終的には回路側で高精度の調整を施すという方法で行われてきた。

このような調整方法の一例として、例えば特許文献１に開示されている方法がある。図６は、特許文献１に開示されている、従来の圧電振動ジャイロの回路構成の例を示すブロック図である。

この例においては、圧電振動子１７の検出電極１９，２０の出力電圧を入力する差動増幅回路２１、及び同期検波回路２３を含む検出回路と、検出電極１９，２０の出力電圧を合成する加算増幅回路２２、移相回路２４及び駆動回路２５を含んで駆動電極１８に駆動電圧を与える発振回路と、整流回路２６、誤差増幅回路２７、及び利得調整回路２８により構成される自動利得調整部２９を備えており、加算増幅回路２２の出力が一定になるように回路が動作する。

従って、周囲温度の変化による圧電振動子１７の機械的尖鋭度Ｑの変化の影響を受けず、検出感度が常に一定の値で得られる圧電振動ジャイロ用駆動検出回路を提供することができる。

特開平７−３２４９３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている技術では、△ｆのばらつき、検出電極の寸法ばらつきによる検出感度の個体差までは調整することができない。これに対処するには、検出回路の増幅率を可変抵抗などによって高精度に調整し、検出感度を調整する必要がある。

この可変抵抗は、ＩＣ外部のチップ部品として基板に実装されるが、このような対処方法は、部品点数、実装費、基板面積の増加に繋がり、小型化、低コスト化を阻害する要因となっている。そこで、本発明の課題は、上記課題を解決し、小型化に適し、かつ低コストで得られる、高精度な圧電振動ジャイロと、その感度調整方法を提供することである。

本発明は、前記課題の解決のため、圧電振動子の表面に形成する電極の構成と、回路の構成を再検討した結果なされたものである。

即ち、本発明の圧電振動ジャイロに用いる圧電振動子には、Ｘ軸方向の屈曲振動である駆動振動モードを励振する駆動電極と、Ｚ軸を軸として加えられる角速度をＹ軸方向のコリオリ力の振動である検出振動モードを検出する検出電極の他に、駆動振動モードを検出するモニタ電極が設けられ、圧電単結晶で構成された圧電振動子を採用した。

さらに、本発明の圧電振動ジャイロモニタは、駆動振動モードを自発励振するための自発励振回路の他に、モニタ電極の出力振幅を一定値に保持するように、駆動電極に印加する駆動信号を調整するための、自動利得制御回路（以下、ＡＧＣ回路と記す）を有することを特徴とする。

また、本発明の圧電振動ジャイロにおいては、圧電振動子に形成された検出電極またはモニタ電極の少なくともいずれかにトリミングを施すことで、感度調整を行うのが特徴であり、さらに具体的には、検出電極にトリミングを施すことで、感度を低下させ、モニタ電極にトリミングを施すことで、感度を向上することが可能である。

前記のように、圧電振動子に設けられた検出電極に、レーザなどを用いてトリミングを施すことで、検出電極の効率が低下し、検出感度は低くなる。また、モニタ電極にレーザなどを用いてトリミングを施すことで、モニタ電極の効率が低下し、出力振幅は小さくなろうとする。しかし、ＡＧＣ回路の機能により、モニタ電極の出力振幅が保持され、駆動信号の振幅が大きくなる。モニタ電極は、検出感度とは独立であるため、駆動信号の振幅が大きくなれば、駆動振動モードの振動速度は速くなり検出感度は高くなる。

つまり、従来の圧電振動ジャイロ用の圧電振動子に設けられていた、駆動電極、検出電極、基準電位電極の他に、モニタ電極を設け、検出電極またはモニタ電極の少なくともいずれかにトリミングを施すことで、検出感度調整方法の選択肢と調整可能な範囲が拡がる。また、圧電振動子を構成する圧電単結晶に由来する特徴として、Ｑ値や周波数の温度特性、経時変化が小さくなることから、検出感度の調整と測定をほぼ同時に行うことができ、生産性を向上させることが可能となる。

従って、本発明によれば、検出感度の調整に用いるＩＣ外部のチップ部品が不要となるため、部品点数、実装費、基板面積が減少し、さらには製造工程が簡略化され、小型、低コストで、かつ高精度を具備した圧電振動ジャイロとその感度調整方法を提供することができる。

次に、本発明による圧電振動ジャイロと、その感度調整方法の実施の形態について、具体的な例を挙げて説明する。

まず、圧電振動ジャイロの基本的な動作原理について説明する。ここでは、圧電振動子として、２本のアーム部を有する音叉形圧電振動子を例として挙げる。図５は、音叉形圧電振動子の形状と振動モードを示す図で、図５（ａ）は音叉形圧電振動子の斜視図、図５（ｂ）は面内振動を示す図、図５（ｃ）は面外振動を示す図である。

図５において、５０は音叉形圧電振動子、５１は基部、５２ａ、５２ｂはアーム部である。図５における矢印はアームの変位方向、即ち振動の方向を示し、面内振動は２つのアーム部の軸を含む平面に平行な方向な振動であり、面外振動は面内振動に直交する方向の振動である。

この音叉形振動子は圧電材料で構成され、表面に面内振動及び面外振動の振動モードに結合した電極を配置し、励振及び検出を可能とする。さらに具体的には、面内振動モードの共振周波数に近い周波数の駆動信号を電極に印加し、音叉振動モードを励振した状態で、振動子の長さ方向の軸に角速度を印加すると、振動子には、角速度に比例したコリオリ力が働き、面外振動モードを生じる。この面外振動モードによって生じる電気信号を検出電極から取り出せば、角速度に比例した電気信号が得られ、圧電振動ジャイロとして機能させることができる。

次に、具体的な実施例を挙げ、本発明の圧電振動ジャイロについて、さらに詳しく説明する。図１は本発明の実施例に係る、圧電振動ジャイロの音叉形圧電振動子を示す斜視図である。図１において、１は基部、２ａ，２ｂはアーム部、３ａ，３ｂは駆動電極、４ａ，４ｂは検出電極、５ａ，５ｂは基準電位電極、６ａ，６ｂはモニタ電極である。

また、図２は図１に示した実施例の音叉形圧電振動子の各振動モードの励振と検出を示す模式図で、図２（ａ）は面内振動モードの励振を示す図、図２（ｂ）は面外振動モードの検出を示す図、図２（ｃ）は面内振動モードの検出を示す図である。

この音叉形振動子の寸法は、全長が７ｍｍ、幅が１．１２ｍｍ、厚みが０．４ｍｍ、アーム部の長さが４ｍｍ、アーム部の幅が０．３５ｍｍであり、面内振動モード及び面外振動モードの共振周波数は、約２０ｋＨｚである。アーム部２ａ、２ｂのほぼ中央部には、アーム部２ａ、２ｂの長手方向に平行に、駆動電極３ａ、３ｂが設けられ、それぞれの駆動電極３ａ、３ｂの他方のアーム部に近い側、つまり内側には、基準電位電極５ａ、５ｂが、外側には、検出電極４ａ、４ｂが、それぞれ駆動電極３ａ、３ｂと絶縁された状態で設けられている。

さらに、駆動電極３ａ，３ｂのアーム部２ａ，２ｂの先端部側には、駆動電極３ａ，３ｂとは分割され、独立した状態で、モニタ電極６ａ，６ｂが設けられている。圧電振動子を構成する材料は、圧電振動子の長手方向を、結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板を使用しており、圧電振動の幅方向の電界に対して、圧電横効果が大きい。従って、圧電振動子の幅方向に電界を印加することで、振動子の長手方向に歪みを生じさせ、アーム部２ａ，２ｂを屈曲させることができる。

次に、図２を用いて、圧電振動子の励振と検出について説明する。駆動電極３ｂと、検出電極４ｂ、及び基準電位電極５ｂの間に駆動電圧を印加することで図２（ａ）のような電界が発生する。その結果、駆動電極３ｂの図における左右では、逆向きの電界となるため、一方では長さ方向に伸長し、もう一方では長さ方向に収縮することとなる。従って、面内振動モードを駆動電極３ａにより励振することができる。

また、同様に、駆動電極３ａと検出電極４ａ、及び基準電位電極５ａの間に、駆動電極３ｂに加えた電圧と逆位相の電圧を印加することで、面内振動モードを２倍の効率で励振することができる。

次に、アーム部２ａ，２ｂの長手方向を軸として角速度を加えると、図２（ｂ）のようにコリオリ力よる面外振動モードが生じる。この振動は、振動子の面と垂直方向に左右のアーム部２ａ，２ｂが逆向きに変位することにより生じる。この振動の検出には、検出電極４ｂと、基準電位電極５ｂ、及び検出電極４ａと基準電位電極５ａの間の信号差として検出することができる。

また、図に示した通り、面外振動モードによって生じる検出電極４ａ，４ｂの信号は、同振幅、同位相である。さらに、面内振動モードの励振時、モニタ電極６ａ，６ｂには、図２（ｃ）のように電界が発生する。この電界は、モニタ電極６ａと検出電極４ａ、及び基準電位電極５ａの間の信号差として検出することができ、同様にモニタ電極６ａと検出電極４ｂ、及び基準電位電極５ｂの間の信号差として検出することができる。ただし、モニタ電極６ａと６ｂに発生する信号は、同振幅、逆位相である。

図３は、本実施例における、回路ブロック図である。ここでは検出電極４ａ及び４ｂに、電流検出回路９ａ及び９ｂを接続している。検出回路構成は、電流検出回路９ａ、及び９ｂ出力を加算回路１３に接続し、面外振動モード成分のみを取り出し、同期検波回路１４に入力し、ローパスフィルタ１５で直流信号として出力する。

この直流信号は、角速度に比例した大きさとなり、角速度センサとして機能する。駆動回路構成は、電流検出回路９ａ、及び９ｂの出力を差動回路７に入力し、面内振動モード成分のみを取り出し、ＡＧＣ回路１１で振幅が制御される。ＡＧＣ回路１１の出力は、駆動電極３ａに入力され、同時に移相回路１２で位相を反転された信号が駆動電極３ｂへ入力される。ＡＧＣ回路１１の振幅制御には、モニタ電極６ａ、及び６ｂの信号によって行われる。

この信号は、差動回路７に入力されて倍の振幅となり、整流回路８で直流信号に変換され、ＡＧＣ回路１１の制御信号として利用される。これによりモニタ電極の出力信号の振幅が一定となるフィードバック機能が働き、駆動振動モードの振動速度は、常に一定に保たれる。従って、駆動振動モードのＱ値が温度特性等により変化してもＡＧＣ回路１１から出力される駆動電圧が変化し、検出感度は、ほぼ一定に保たれる。

次に、検出感度の調整方法について説明する。図４は、電極のトリミング位置について示した図である。検出感度を高く調整する場合は、図４中のＡの部位に、レーザなどによって、トリミングを施す。これによって、モニタ電極の出力信号の振幅が小さくなろうとするが、ＡＧＣ回路によって、駆動電圧が高くなり、モニタ電極の出力信号は一定に保たれる。

しかし、駆動電圧に比例して、面内振動モードの振動速度は速くなり、検出感度は高くなる。また、電極のトリミング形状は特に限定されることはない。さらに、検出感度を低く調整する場合は、図４中のＢの部位に、レーザなどによって、トリミングを施す。この場合は、アームの先端部からトリミングを行い、検出電極の長さを変化させる。検出電極が短くなることで検出感度も低下する。

ただし、検出電極の長さのトリミングは、モニタ電極と対向する位置を超えて調整することはできない。検出電極のモニタ電極と対向する部分を超えてトリミングすると、モニタ電極の出力信号の振幅も小さくなろうとするため、効果が相殺され調整量が小さくなる。

以上の説明では、２本のアーム部を有し、ニオブ酸リチウム単結晶で構成される、音叉形圧電振動子を用いた場合について述べたが、本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれる。即ち、当業者であれば、なし得ると推定される各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の実施例に係る、圧電振動ジャイロの音叉形圧電振動子を示す斜視図。 実施例の音叉形圧電振動子の各振動モードの励振と検出を示す模式図。図２（ａ）は面内振動モードの励振を示す図。図２（ｂ）は面外振動モードの検出を示す図。図２（ｃ）は面内振動モードの検出を示す図。 実施例における回路ブロック図。 電極のトリミング位置について示す図。 音叉形圧電振動子の形状と振動モードを示す図。図５（ａ）は音叉形圧電振動子の斜視図。図５（ｂ）は面内振動を示す図。図５（ｃ）は面外振動を示す図。 従来の圧電振動ジャイロの回路構成の例を示すブロック図。

符号の説明

１，５１ 基部
２ａ，２ｂ，５２ａ，５２ｂ アーム部
３ａ，３ｂ，１８ 駆動電極
４ａ，４ｂ，１９，２０ 検出電極
５ａ，５ｂ 基準電位電極
６ａ，６ｂ モニタ電極
７，１０ 差動回路
８ 整流回路
９ａ，９ｂ 電流検出回路
１１ ＡＧＣ回路
１２，２４ 移相回路
１３ 加算回路
１４，２３ 同期検波回路
１５ ローパスフィルタ
１６，３０ 出力部
１７ 圧電振動子
２１ 差動増幅回路
２２ 加算増幅回路
２５ 駆動回路
２６ 整流回路
２７ 誤差増幅回路
２８ 利得調整回路
２９ 自動利得調整部
５０ 音叉形圧電振動子

Claims (5)

1. Ｘ軸方向の屈曲振動を駆動するための駆動電極、Ｚ軸を軸として加えられる角速度をＹ軸方向のコリオリ力による振動として検出するための検出電極、前記Ｘ軸方向の屈曲振動をモニタするためのモニタ電極を有する圧電振動子と、前記Ｘ軸方向の屈曲振動を前記屈曲振動の共振周波数で自発励振するための自発励振回路、前記モニタ電極の出力振幅を一定値に保持するように前記駆動電極に印加する駆動信号を調整するための自動利得制御回路を有することを特徴とする圧電振動ジャイロ。
2. 前記圧電振動子は、圧電単結晶により構成されて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。
3. 前記検出電極または前記モニタ電極の少なくともいずれかにトリミングを施すことにより感度を調整することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の圧電振動ジャイロの感度調整方法。
4. 前記検出電極にトリミングを施すことにより、感度を低下することを特徴とする、請求項３に記載の圧電振動ジャイロの感度調整方法。
5. 前記モニタ電極にトリミングを施すことにより、感度を向上することを特徴とする、請求項３に記載の圧電振動ジャイロの感度調整方法。

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