JP2007163452A - 圧電振動子の漏れ振動調整装置および漏れ振動調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子の漏れ振動をレーザーにより調整する加工では、加工時に発生する熱の影響により漏れ信号を正確に検出できず、正しい漏れ振動調整ができないという問題があった。
【解決手段】駆動信号を出力して圧電振動子を定常に振動させ、圧電振動子から発生する出力信号を入力して不要な漏れ振動成分を検出し、漏れ信号を出力する漏れ振動検出手段と、漏れ信号に基づき漏れ振動を低減する調整加工の条件を求める演算を行って、制御信号を出力する漏れ振動制御手段と、制御信号の一つに基づいて圧電振動子の位置決めを行う位置決め手段と、別の制御信号に基づいて圧電振動子の調整部にフェムト秒レーザーを照射するフェムト秒レーザー発生手段とを有し、フェムト秒レーザーで調整部を微少量除去する加工を行う。真空チャンバー中に圧電振動子を収めて加工すれば、調整精度がさらに上がる。

【選択図】 図１

Description

本発明は、振動ジャイロ等を構成するのに用いられる圧電振動子の調整方法に関し、特に圧電振動子の振動方向等の特性を調整する特性調整装置、および特性調整方法に関する。

近年では圧電振動子に回転が加わった場合のコリオリ力を利用した振動ジャイロの実用化が進み、自動車の姿勢制御システム、ナビゲーションシステム、ビデオカメラやデジタルカメラの手ぶれ検出システムなどに使用されている。

このような振動ジャイロの応用分野は、ナビゲーションシステムなどのように角度を算出するシステム、つまり振動ジャイロの出力である角速度を積分して使う用途と、手ぶれなどの角加速度を検出するシステム、つまり振動ジャイロの出力である角速度を微分して使う用途とに大別されるが、特に積分して使う用途では高い精度と信頼性が要求される。

ところで圧電振動子は、一般には切り出す圧電材料の結晶方位を最適に設定することによって正確な振動を発生させ、その振動数などを利用するものである。その場合、正確に振動する方向は決められており、異なる方向に振動が現れるとノイズなどの原因となり、Ｓ／Ｎ比が落ちたりするような性能劣化の原因となる。

振動ジャイロの場合はこの異なる振動方向を積極的に利用して、駆動振動および検出振動の二つの振動モードを使用する。しかし、回転によるコリオリ力が働かないときに駆動振動によって検出振動（この振動を漏れ振動と呼ぶ）が発生してしまうと、やはり性能が劣化し、高精度、高信頼性を備えた振動ジャイロを得ることができないことが知られている。以下、本発明では、圧電振動子として振動ジャイロに用いるものを例にとって説明するが、当然ながら一般の圧電振動子にも適用できる。

この漏れ振動（実際に取り出される信号は電圧なので、これを漏れ電圧、漏れ出力と呼ぶことがある）は、コリオリ力によって生じる検出振動を効率よく取り出すために検出振動の固有振動数と駆動振動の固有振動数を近づけて設計する際、圧電振動子の加工精度などのばらつきによって、二つの振動間に機械的結合が生じることに起因する。この漏れ振動が発生すると、回転によって発生したコリオリ力による検出振動が漏れ振動に隠れてしまい、角速度の検出感度が低下し、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。なお、圧電振動子による振動ジャイロの漏れ振動（漏れ電圧、漏れ出力）に関しては、非特許文献１に詳しく書かれている。

簡単に漏れ振動を説明すれば、コリオリ力によって発生する検出振動と同じ振動方向に発生する振動であり、回転していないとき、すなわちコリオリ力がゼロのときに、駆動振動から機械的結合によって漏れてくる振動のことである。

圧電振動子として例えば水晶を使った水晶ジャイロにおいて、このような漏れ振動はノイズの原因となるため、極力漏れ振動を低減する必要がある。そのために振動する脚の一部を微少量除去してバランスを取る調整を行う方法が知られている。以下本発明では圧電振動子の材料として水晶を例に説明するが、他の圧電材料でも同様である。

その従来技術として、図９に示すように、例えばレーザーを用いて行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図９において、圧電振動子１０１の調整部１０４に
レーザー発生手段９０１からレーザー９０２を照射するシステムとなっている。このシステムではレーザーを用いて振動する脚の角部（調整部１０４）を微少量除去することにより、振動する脚の質量バランスを取り、漏れ振動を低減する方法が開示されている。

菅原他、「圧電型振動ジャイロスコープの漏れ出力の等価回路考察」、電子情報通信学会論文誌、Ａ Ｖｏｌ−Ｊ７６−Ａ、Ｎｏ．３． １９９３年３月、ｐ．２６３−２７２

特開２００４−９３１５８号公報（段落［００２０］−［００２２］、図３−５）

しかしながら、この従来技術では、振動する脚の角部などに通常のレーザーを照射し、それにより発生する熱によって材料（水晶）を溶融して加工するため、加工部分の温度が高くなって圧電振動子の電気的な諸特性が変化し、電気的ノイズが生じやすく、さらに加工表面に熱による加工変質層を生じる。そのため、大きな誤差を含む漏れ信号しか得ることができず、その誤差の大きい漏れ信号を参照して加工しても、実質的に正しい微調整はできない。

つまり、漏れ信号をリアルタイムで検出してその信号をフィードバックし、それにより加工量を制御して漏れを自動調整することが困難であるという問題が生じる。これでは圧電振動子の振動特性の微調整を自動制御できず、量産化する際に生産技術的に大きな問題となる。また、加工部に加工変質層が生じることにより、圧電振動子の電気的諸特性が悪化し、圧電振動子を利用したデバイスの性能を劣化させるという致命的な問題が生じる。

〔発明の目的〕
そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点を解決して、レーザーによる加工時の熱による悪影響を無くすことで、加工時に正しい漏れ信号をリアルタイムで検出し、その信号をフィードバックして加工量を制御して漏れ振動を自動調整し、なおかつ加工部の加工変質層を生じさせないことが可能な方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決し目的を達成するために、本発明の漏れ振動調整装置は、不要な漏れ振動成分を排除して特性を調整する調整部を有する、圧電材料から成る圧電振動子の漏れ振動調整装置において、
駆動信号を出力して前記圧電振動子を定常に振動させ、前記圧電振動子から発生する出力信号を入力して、不要な漏れ振動成分を含んだ検出信号を検出する漏れ振動検出手段と、
該漏れ振動検出手段によって検出した漏れ信号を入力し、該漏れ信号に基づき漏れ振動を低減するための調整加工の条件を求める演算を行って、二つの制御信号を出力する漏れ振動制御手段と、
前記制御信号の一つに基づいて、前記圧電振動子の位置決めを行う位置決め手段と、
前記制御信号の他の一つに基づいて、前記圧電振動子の前記調整部の少なくとも一部にフェムト秒レーザーを照射するフェムト秒レーザー発生手段と
を有し、前記フェムト秒レーザーで前記調整部の少なくとも一部の微少量を除去する加工を行うことを特徴とする。

また、漏れ振動調整装置は、真空度をコントロール可能な真空チャンバーを有し、該真空チャンバー内において所定の真空度で前記圧電振動子を加工することを特徴とする。

また、漏れ振動調整方法は、漏れ振動を低減するように、フェムト秒レーザーの諸特性のうち、パワー、焦点深度、エネルギー分布、照射範囲、照射周波数、照射位置、照射角度、の少なくとも一つを制御することを特徴とする。

ここでフェムト秒レーザーについて簡単に説明する。フェムト秒とは１０００兆分の１秒のことでｆｓで表記し、パルス幅が数〜数百フェムト秒のレーザーをフェムト秒レーザーと呼び、パルス幅が非常に短いので、超短パルスレーザーとも呼ばれる。例えば１パルスで１ｍＪ程度のエネルギーを持つものが市販されているが、この場合、１パルス中の瞬間的な到達出力のエネルギー密度が非常に高くなる。

このような超高強度、超短パルスレーザーを集光照射すると、熱伝導が起こる前に瞬時にエネルギーが注入されるため、照射部周辺が熱的または化学的損傷をほとんど受けず、高精度、高品質の加工を実現できる。また、多光子吸収という現象を利用して、通常であれば光が通り抜けてしまうガラス、水晶、ダイヤモンドなどの透明材料を加工することもできる。

上記のように、フェムト秒レーザーの１パルスの照射時間は例えば１００〜２００ｆｓというごく短時間なので、加工部の材料粒子がフェムト秒レーザーの照射によってはじき飛ばされるときに、その周りの粒子に熱の影響を与えない特徴があるため、加工時に熱が生じない効果がある。

そのため、加工時に熱による電気的なノイズや加工変質層が発生しないので、加工時に正しい漏れ振動を検出することができる。これによりリアルタイムに漏れ振動をフィードバックして漏れ振動を調整できて、調整量（加工量）の精度が高まり、性能を高めることが出来る。したがって自動制御システムを構成すれば、自動的に漏れ振動の調整が可能となり、量産に適し、大幅なコスト削減が可能となる。

そして、加工時に熱が生じないことから、加工部分に急激な温度変化や温度分布が生じないので、熱膨張、熱応力による加工物のひびや割れなどの悪影響の無い、滑らかで高精度な加工が可能となる。

また、加工変質層が生じないため、圧電振動子そのものの特性が劣化しないので、高精度、高信頼性を実現することができる。

また、圧電振動子の内部も加工できるため、内部加工によって外形を崩さないで漏れ振動を調整することも可能となる。

また、１パルス１００〜２００ｆｓのごく短時間ごとの加工も可能であるため、加工量が非常に少ないピンポイント的な加工も可能となり、微調整がしやすい。

また、実際の振動ジャイロでは、圧電振動子が実装されているパッケージ内部は、圧電振動子の感度向上、信頼性の向上のために、所定の真空度に保たれているので、製品と同じ真空度で漏れ振動を調整することによって、実際の駆動条件に適合する、より正確な漏れ調整を行うことができる。

また、様々な漏れ振動の状態に臨機応変に対応して、様々な制御手法を取ることができ、最適な漏れ振動調整を行うことができる。

以下、本発明の構成における最適な実施形態について図面を用いて説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１〜図６を用いて本発明の第１の実施の形態における漏れ振動調整装置について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における漏れ振動調整装置全体のシステムを説明するブロック図である。漏れ振動を調整して低減するために、圧電振動子１０１の調整部１０４の一部を加工して質量的なバランスを取る。調整部１０４に関しては図２で詳細に説明する。

システム全体の流れとしては、最初に漏れ振動検出手段１０５から圧電振動子１０１に駆動信号１０８を送り、圧電振動子１０１が持つ固有振動数ｆ０で一定方向に定常振動させる。このとき圧電振動子１０１に、何らかの機械的結合のあるのが通常で、このため定常振動の方向とは異なる方向にｆ０と同じ周波数で位相のずれた漏れ振動が発生する。その漏れ振動の成分を含む出力信号１０９（電圧）が漏れ振動検出手段１０５に入力され、出力信号１０９から漏れ信号１１０を形成し、漏れ振動制御手段１０６に入力される。

漏れ振動制御手段１０６では、漏れ信号１１０から、漏れ振動を低減するように加工を行うために、圧電振動子１０１の加工位置を制御する位置決め制御信号１１１と、フェムト秒レーザーの出力などを制御するフェムト秒レーザー制御信号１１２を形成し、それぞれ位置決め手段１０７、フェムト秒レーザー発生手段１０２に入力する。そして、漏れ振動を低減するのに最適になるように、加工位置とフェムト秒レーザーとを同時に制御し、フェムト秒レーザー１０３を圧電振動子１０１の調整部１０４に照射することにより、システム全体でフィードバック制御を行う。

まず、圧電振動子１０１のどの角部を削れば漏れ振動が低減するかを決定する工程について説明する。駆動信号１０８に対する出力信号１０９の位相を監視することにより、どの角部を削ればよいか経験的に決められる。フェムト秒レーザーでその角部を微少量削り始めて、漏れ振動が低減するかどうかを確認する。もし例外的な要因で漏れ振動が低減しない場合は、他の角部を削って漏れ振動が低減することを確認する。削る角部に関しては図２で詳しく説明する。

次に、フェムト秒レーザーによって削った除去量と漏れ振動低減量を監視し、ある時間間隔で漏れ振動低減量を比較し、除去量に対する漏れ振動低減量の相関からその延長線上で漏れ振動がゼロになる除去量を予測し、それを超えないように制御しながら漏れ振動をゼロにすることを目指す制御を行う。

そして、圧電振動子１０１を振動ジャイロに用いた場合に十分な性能を出すことができる漏れ振動の許容値を予め設定値として決めておいて、その設定値より小さくなったところで、フェムト秒レーザーにより角部を除去する制御を停止して漏れ振動の調整を終了する。

図２は具体的な圧電振動子１０１について説明する図である。図２（ａ）は平面図、そのＢ−Ｂ断面が図２（ｂ）の断面図である。本実施形態では、圧電振動子１０１の材料として水晶のＺ板を例にとって説明する。

図２において、説明のために水晶のＺ板で切り出した３脚の圧電振動子１０１の脚が伸びる方向をＹ軸とし、図２（ａ）において紙面裏から表方向をＺ軸とし、Ｙ軸、Ｚ軸に垂
直な方向（紙面右方向）をＸ軸とする。

ここで圧電振動子１０１の振動モードについて説明する。図２（ｂ）において、駆動信号１０８によって自励発振する駆動脚は１０１ａ、１０１ｂの二つであり、コリオリ力を検出する検出脚は１０１ｃである。駆動信号（周波数ｆ０）によって、駆動脚１０１ａと１０１ｂはＸ軸方向で互いに動く向きが逆になるモード（以下駆動モードという）で振動する。このとき本来は検出脚１０１ｃは動かない。別に、駆動モードの周波数ｆ０より２００〜３００Ｈｚ程度高い周波数（周波数ｆ１）で駆動脚１０１ａ、１０１ｂ、検出脚１０１ｃがＺ軸方向に互い違いに振動するモード（以下検出モードという）が存在し、この検出モードをコリオリ力の検出に使用する。

周波数ｆ０とｆ１が２００〜３００Ｈｚ程度の周波数差で近接しているため、ｆ０の駆動モードで振動しているときにコリオリ力が加わると、ｆ１の検出モードの振動が起こりやすく、感度が上がり、Ｓ／Ｎ比が向上する利点がある。

また、図２の圧電振動子１０１は３脚にすることで、駆動脚１０１ａ、１０１ｂと検出脚１０１ｃを独立にすることができるため、感度がよい構造的な特徴を有している。

ところが、圧電振動子１０１の外形形状は、製造時の加工誤差による寸法のバラツキが発生する。この寸法バラツキなどに起因する機械的結合によって、駆動モードで振動していてコリオリ力が作用しない状態のときに、検出脚１０１ｃにＺ軸方向の漏れ振動が生じてしまい、ノイズやドリフト（信号の値が温度などの条件で変わること）の原因となり、圧電振動子１０１の性能劣化の原因となる。

この漏れ振動は、駆動脚１０１ａ、１０１ｂの調整部１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅ、１０４ｆ、１０４ｇ、１０４ｈを微少量除去してバランスを取ることにより、低減することができ、うまく調整できれば漏れ振動をほとんどゼロにすることが可能となる。漏れ振動をほとんどゼロにすることができれば、圧電振動子１０１の性能劣化を防ぐことができ、高精度、高信頼性を有する振動ジャイロを形成できる。

漏れ振動の調整の方法としては、駆動信号１０８の位相と漏れ振動に伴う出力信号１０９の位相から調整部１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｅ、１０４ｇを微少量除去するのがよいか、その対称位置にある調整部１０４ｂ、１０４ｄ、１０４ｆ、１０４ｈを微少量除去するのがよいか経験的に分かっている。従って、それによって決まった方（調整部１０４ａ、１０４ｃ、１０４ｅ、１０４ｇ、または調整部１０４ｂ、１０４ｄ、１０４ｆ、１０４ｈ）を微少量除去することにより漏れ振動調整を行うことができる。

通常は、図５で説明するように、圧電振動子１０１はパッケージ５０１に実装した状態で漏れ振動調整を行うことが多いため、パッケージ側が紙面下側だとすれば、実際には調整部１０４ａ、１０４ｅまたは１０４ｂ、１０４ｆによって漏れ振動調整を行うこととなる。

本実施形態では、漏れ振動調整の調整部として脚の角部を例に取ったが、製造誤差の生じやすい脚の側面や脚と脚の付け根（叉部）などを調整部としてもよい。

また、圧電振動子１０１が水晶の場合に限っては、透明体なので、外形だけでなく内部に穴状の空洞などを加工することによって漏れ振動調整を行うこともできる。

本実施形態では３脚の圧電振動子で説明したが、２脚やその他の圧電振動子でも当然ながら同様に漏れ振動調整が可能である。

次に、図３により、フェムト秒レーザー発生手段１０２について説明する。まずフェムト秒レーザー源３０１から放たれるフェムト秒レーザー１０３が、オプティカルユニット３０４の中でビーム整形され、またヘリウムネオンレーザー源３０２から放たれるヘリウムネオンレーザー３０３が、オプティカルユニット３０４の中でミラー３０５、ハーフミラー３０６によってフェムト秒レーザー１０３と同軸に合わされ、圧電振動子１０１に照射される。

このとき、ヘリウムネオンレーザー３０３が圧電振動子１０１に当たった反射光を利用して距離を測定し、自動的にフェムト秒レーザー１０３の焦点を圧電振動子１０１の調整部１０４に合わせるオートフォーカス機能を有している。

このフェムト秒レーザー発生装置１０２は、フェムト秒レーザーのパワーが１ｍＪ以下、パルス幅が１５０ｆｓ、波長が８００ｎｍ、発生周波数が１ｋＨｚのものである。

次に、図４により、圧電振動子１０１の漏れ振動検出手段１０５について説明する。駆動脚１０１ａ、１０１ｂは、脚の各面に駆動電極４０１、４０２、４０３、４０４および４０５、４０６、４０７、４０８を有し、これらの駆動電極によって駆動されて振動する。検出脚１０１ｃは、一つの面上に電極４０９を設けてアースされており、２個の検出電極４１０、４１１が角部に形成されている。

最初のトリガーとなる信号（漏れ振動検出回路１０５の熱雑音等）が駆動電極４０１、４０２、４０５、４０６に入力され、それをきっかけにして駆動脚１０１ａ、１０１ｂが駆動信号１０８の駆動モード（Ｘ軸方向で互いに逆向きに動くモード）で振動し始め、アンプ４１２と移相回路４１３でフィードバックループを形成して自励振動（共振状態）を得ることができる。そのとき、検出電極４１０、４１１の出力信号１０９を差動増幅回路４１５によって処理した信号を、移相回路４１４によって移相回路４１３の出力と同位相となった信号をコンパレータ回路４１６を通した信号で、同期検波回路４１７により全波整流し、ローパスフィルター回路４１８で高周波成分を取り除いた漏れ信号１１０が出力部４１９に出力される。そして出力部４１９に出力された漏れ信号１１０は漏れ振動制御手段１０６に入力される。

図４では、簡単にするために、図示はしていないが、駆動信号１０８と検出電極４１０、４１１からの信号１０９を観察して、これらの信号の位相の関係を確認する回路も含まれている。

図５は圧電振動子１０１を位置決めする位置決め手段１０７を説明する図である。漏れ振動の調整は、通常では圧電振動子１０１を、収納するパッケージ５０１に接合固定した状態で行われる。パッケージ５０１はパッケージ固定部材５０２により固定され、その固定部材５０２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれに沿って直線的に移動可能なＸＹＺリニアステージと、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれを中心にして回転するＸＹＺ回転ステージを複合させた位置決めステージ５０３に搭載されている。これらは全て電動式で、外部からの信号によって自由に制御できるものである。パッケージ５０１は漏れ振動の調整後には所定の真空度で封止される。

図６は漏れ振動制御手段１０６を説明する図である。大まかな信号の道筋を矢印で表している。まず比較回路６０１では漏れ信号１１０とメモリー６０２に記憶させてある漏れ振動許容値６０６を比較し、その結果の漏れ比較信号６０７を出力する。最適加工量演算回路６０３では、漏れ比較信号６０７と、現在までの漏れ信号１１０の時間的変化（変化履歴）から漏れ振動低減量を演算し、フェムト秒レーザー照射時間から推定した調整部１
０４の現在までの除去量とから、現在までの除去量に対する漏れ振動低減量の相関関係を演算し、その相関関係の延長線上で漏れ振動がゼロになる最大除去量を演算し、最大除去量を超えない範囲で除去を行い、徐々に最大除去量に近づいて漏れ振動が許容値以下になるように、現在以降の除去量を演算する。このフィードバック制御を繰り返しながら、最大除去量も刻々と演算し直されて真の値に近づいていく。

そのように刻々と除去量を演算した演算信号６０８、６０９を、フェムト秒レーザー制御回路６０４、位置決め制御回路６０５に入力し、それぞれ最適に制御するための位置決め制御信号１１１を、位置決め手段１０７に入力し、フェムト秒レーザー制御信号１１２を、フェムト秒レーザー発生手段１０２に入力する。そして位置決め手段１０７においては、位置決め制御信号１１１によって、調整部１０４の位置、フェムト秒レーザー１０３の入射角度、フェムト秒レーザー１０３に対する調整部１０４の移動速度などを制御する。

また、フェムト秒レーザー発生手段１０２においては、フェムト秒レーザー制御信号１１２によって、フェムト秒レーザーのパワー、照射周波数、焦点深度（焦点位置）、照射範囲、エネルギー分布などを制御する。そして、漏れ信号１１０が漏れ振動許容値６０６よりも小さくなったところで、フェムト秒レーザーによる調整部１０４を除去する制御を停止して漏れ振動の調整を終了する。

上記のように調整部１０４の位置、フェムト秒レーザー１０３の入射角度、フェムト秒レーザー１０３に対する調整部１０４の移動速度、フェムト秒レーザーのパワー、照射周波数、焦点深度（焦点位置）、照射範囲、エネルギー分布などを制御することにより、様々な漏れ振動の状態に臨機応変に対応して、種々の制御手法を取ることができ、最適な漏れ振動調整を行うことができる。

以上の加工制御によって、フェムト秒レーザー１０３で調整部１０４を熱を発することなく除去加工するため、調整部１０４近傍において熱による電気的なノイズや加工変質層が発生せず、正しい漏れ振動を検出でき、リアルタイムに漏れ振動をフィードバックして調整でき、調整量の精度を高められ、圧電振動子１０１の性能を高めることができる。

また、１パルス１００〜２００ｆｓのごく短時間ごとの加工も可能であるため、加工量が非常に少ないピンポイント的な加工も可能となり、漏れ振動がゼロ付近での非常に高精度な微調整が容易になるという効果もある。

図６では図示はしないが、加工部分をＣＣＤなどの撮像手段で撮影しながら画像処理を行えば、除去量などの演算精度がより高まる。

また、駆動電極や検出電極をフェムト秒レーザーで削って固有振動数などの微調整をする制御システムも、同じようにして構築できる。

図２で説明したが、外形加工時の形状では、脚の側面や脚と脚の間の叉部に残留形状が残っているのを、設計形状に近づけて性能を向上するための手段として用いることもできる。

〔第２の実施の形態〕
次に第２の実施の形態における漏れ振動調整装置について説明する。

図７は本発明の第２の実施の形態における漏れ振動調整装置全体のシステムを説明するブロック図である。圧電振動子１０１と位置決め手段１０７とが真空チャンバー７０１内
に収められている。図７に示すように、真空チャンバー７０１の中で所定の真空度にコントロールされている状態で、フェムト秒レーザー１０３で圧電振動子１０１を加工して漏れ振動の調整を行う。その他のシステムは図１で説明したものと同じである。

図８は真空チャンバー７０１を説明する断面図である。金属容器８０１とガラス蓋８０２で真空チャンバー７０１は構成されている。金属容器８０１とガラス蓋８０２はＯリングを介して真空シールされている。また図示はしないが、金属容器８０１には、真空度をコントロールする排気ポンプと、駆動信号１０８、出力信号１０９、位置決め制御信号１１１を伝えるケーブルを真空チャンバー７０１内に導入するコネクターとが備えられている。この図８の構成により、真空チャンバー内を所定の真空度にコントロールすることができる。

この真空チャンバー内に圧電振動子１０１と位置決め手段１０７を収めて、圧電振動子１０１を最適に位置決め制御しながら、真空チャンバー７０１の外部からガラス蓋８０２を通過したフェムト秒レーザー１０３を圧電振動子１０１の調整部１０４に照射する。

このとき、漏れ振動の調整のためにフェムト秒レーザーの焦点を圧電振動子１０１の調整部１０４に合わせるので、圧電振動子１０１よりもフェムト秒レーザー発生手段１０２に近い距離にあるガラス蓋８０２をフェムト秒レーザー１０３が通過する際は、フェムト秒レーザー１０３は集光されていないため、ガラス蓋８０２には何ら影響を与えることはなく、圧電振動子１０１の調整部で加工に必要なエネルギーが得られるため、真空チャンバー７０１中でも、大気中と同じようにフェムト秒レーザーで圧電振動子１０１を加工することができる。

実際の振動ジャイロのパッケージ５０１（図５参照）の内部は、圧電振動子の感度向上のため（振動しやすくするため）と、不要なガスなどによって劣化するのを防ぎ、信頼性を向上するために、所定の真空度に保たれている。従って、空気の有無による粘性の相違により漏れ信号も空気中とは異なってくる。そのため、空気中で漏れ調整を行って、漏れ信号をほぼゼロにしても、パッケージ５０１の内部では漏れ信号はゼロではなくなる。そこでパッケージ内部の真空度と同じか、またはそれ以上の真空度で漏れ調整を行うことによって、真空パッケージ中での漏れ振動がより厳密にゼロに近い正確な漏れ調整を行うことができる。

また、この第２の実施の形態の説明では、位置決め手段１０７を真空チャンバー７０１内に収めた例を示したが、位置決め手段１０７を真空チャンバー７０１の外に設け、真空チャンバー内に圧電振動子１０１を固定し、真空チャンバー７０１を位置決め手段１０７で位置決め制御する構成でも同じ効果が得られる。

以上は振動ジャイロに用いる圧電振動子について説明したが、振動ジャイロに限らず、圧電振動子一般においてその振動数を高度に安定させるような性能向上にも役立つ。

また、第１の実施の形態、第２の実施の形態では一つのフェムト秒レーザーで加工する例で説明したが、この例に限定されることはなく、フェムト秒レーザーを複数に分光したり、複数のフェムト秒レーザー発生手段を用いて複数個同時に漏れ振動の調整を行うことにより、生産性を格段に向上させることもできる。

以上述べたように、本発明による漏れ振動調整装置および漏れ振動調整方法は、圧電振動子を有する振動ジャイロの量産化、性能向上に適している。

本発明の第１の実施の形態にかかる漏れ振動調整装置の制御システムを模式的に示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる圧電振動子を示す平面図および断面図である。 本発明の第１の実施の形態にかかるフェムト秒レーザー発生手段を模式的に示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる漏れ振動検出手段を示す回路図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる位置決め手段を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる漏れ振動制御手段を模式的に示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる漏れ振動調整装置の制御システムを模式的に示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる漏れ振動調整装置の真空チャンバーを模式的に示す断面図である。 従来の漏れ振動調整手段を模式的に示すブロック図である。

符号の説明

１０１ 圧電振動子
１０１ａ、１０１ｂ 駆動脚
１０１ｃ 検出脚
１０２ フェムト秒レーザー発生手段
１０３ フェムト秒レーザー
１０４、１０４ａ〜ｈ 調整部
１０５ 漏れ振動検出手段
１０６ 漏れ振動制御手段
１０７ 位置決め手段
１０８ 駆動信号
１０９ 出力信号
１１０ 漏れ信号
１１１ 位置決め制御信号
１１２ フェムト秒レーザー制御信号
３０１ フェムト秒レーザー源
３０２ ヘリウムネオンレーザー源
３０３ ヘリウムネオンレーザー
３０４ オプティカルユニット
３０５ ミラー
３０６ ハーフミラー
４０１〜４０８ 駆動電極
４０９ 電極
４１０、４１１ 検出電極
４１２ アンプ
４１３、４１４ 移相回路
４１５ 差動増幅回路
４１６ コンパレータ回路
４１７ 同期検波回路
４１８ ローパスフィルター回路
４１９ 出力部
５０１ パッケージ
５０２ パッケージ固定部材
５０３ 位置決めステージ
６０１ 比較回路
６０２ メモリー
６０３ 最適加工量演算回路
６０４ フェムト秒レーザー制御回路
６０５ 位置決め制御回路
６０６ 漏れ振動許容値
６０７ 漏れ比較信号
６０８、６０９ 演算信号
７０１ 真空チャンバー
８０１ 金属容器
８０２ ガラス蓋
９０１ レーザー発生手段
９０２ レーザー

Claims (3)

1. 不要な漏れ振動成分を排除して特性を調整するための調整部を有する圧電材料からなる圧電振動子の漏れ振動調整装置において、
   駆動信号を出力して前記圧電振動子を定常に振動させ、前記圧電振動子から発生する出力信号を入力し、不要な漏れ振動成分を検出して漏れ信号を出力する漏れ振動検出手段と、
   該漏れ信号に基づき漏れ振動を低減するための調整加工の条件を求める演算を行って、二つの制御信号を出力する漏れ振動制御手段と、
   前記制御信号の一つに基づいて、前記圧電振動子の位置決めを行う位置決め手段と、
   前記制御信号の他の一つに基づいて、前記圧電振動子の前記調整部の少なくとも一部にフェムト秒レーザーを照射するフェムト秒レーザー発生手段と、
   を有し、前記フェムト秒レーザーで、前記調整部の少なくとも一部の微少量を除去する加工を行うことを特徴とする圧電振動子の漏れ振動調整装置。
2. 請求項１に記載の圧電振動子の漏れ振動調整装置において、
   真空度をコントロール可能な真空チャンバーを設け、前記圧電振動子を該真空チャンバー内に収容して所定の真空度で加工することを特徴とする圧電振動子の漏れ振動調整装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電振動子の漏れ振動調整装置を用いて圧電振動子の漏れ振動を低減する加工において、
   フェムト秒レーザーの諸特性のうち、パワー、焦点深度、エネルギー分布、照射範囲、照射周波数、照射位置、照射角度、の少なくとも一つを制御することを特徴とする圧電振動子の漏れ振動調整方法。
   
   
   

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