JP2008267983A - Piezoelectric vibrating gyroscope and its adjusting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は角速度を検出する振動ジャイロ及びその調整方法に関し、特に、自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御、あるいは、カメラ一体型VTRの手振れ補正装置等に好適な圧電振動ジャイロ用振動子及びその調整方法に関する。 The present invention relates to a vibration gyro for detecting an angular velocity and an adjustment method thereof, and more particularly to a vibrator for a piezoelectric vibration gyro suitable for an automobile navigation system, attitude control, a camera shake correction device for a camera-integrated VTR, and the adjustment method thereof. .
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。また振動ジャイロは、電気的な信号で、機械的な振動を励起させて駆動振動とし、コリオリ力によって生じる前記駆動振動と直交する成分を有する機械的な振動を検出振動として、その大きさを電気的に検出するセンサである。この振動ジャイロは、予め、駆動振動を励起させた状態で、駆動振動面と検出振動面との交線に平行な軸を中心とした回転の角速度を与えると、コリオリ力により、検出振動が発生し、出力電圧として検出される。その出力電圧は駆動振動の大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動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。 A vibrating gyroscope is an angular velocity sensor that utilizes a dynamic phenomenon in which when an angular velocity is applied to an object having velocity, the object itself generates a Coriolis force in a direction perpendicular to the velocity direction. The vibration gyro is an electrical signal that excites mechanical vibrations to drive vibrations, and mechanical vibrations having a component orthogonal to the drive vibrations caused by the Coriolis force are detected vibrations, and the magnitude is electrically It is a sensor to detect automatically. This vibration gyroscope generates excitation vibration by Coriolis force when it is given an angular velocity of rotation around an axis parallel to the intersection line of the drive vibration surface and the detection vibration surface in a state where the drive vibration is excited in advance. And detected as an output voltage. Since the output voltage is proportional to the magnitude and angular velocity of the driving vibration, the magnitude of the angular velocity can be obtained from the magnitude of the output voltage in a state where the magnitude of the driving vibration is constant.
近年、機器の小形化に伴い、圧電振動ジャイロに対する小形化ニーズが高まっている。圧電振動ジャイロの小形化を実現するために、従来まで切削加工で圧電振動ジャイロ用振動子が作製されていたのに対し、近年はフォトリソ技術を利用した微細加工で振動子を作製するようになってきた。しかしながら、小形化ニーズの高まりから、近年の加工精度の向上では補え切れないほどの小形化重視の設計がなされるようになり、その結果、加工工程後に行う調整工程により一層の工夫が求められるようになっている。 In recent years, with the miniaturization of equipment, there is an increasing need for miniaturization of piezoelectric vibration gyros. In order to realize miniaturization of piezoelectric vibration gyroscopes, vibrators for piezoelectric vibration gyroscopes were conventionally manufactured by cutting, but in recent years, vibrators have been manufactured by microfabrication using photolithography technology. I came. However, due to the growing needs for miniaturization, design that emphasizes miniaturization that cannot be compensated for by the recent improvement in machining accuracy has been made, and as a result, further ingenuity is required in the adjustment process performed after the machining process. It has become.
圧電振動ジャイロ用振動子の調整には、大きく分けて2種類の調整がある。圧電振動ジャイロの感度や応答性を調整するものと、もうひとつは、ヌル電圧や外乱に対する出力安定性を調整するものである。前者は、振動子の駆動振動の共振周波数と検出振動の共振周波数との差を調整するもので、一般的に離調と呼ばれることがある。対して後者は、2つの検出電極から得られる検出信号のレベルを揃える調整であり、一般的にバランス調整と呼ばれることがある。尚、圧電振動ジャイロは温度変化や振動等の外乱に対し出力を安定化するため、検出振動を2つの検出電極で検知し、各々の検出電極から得られる検出信号を差動増幅処理し出力信号とする構成がとられる。 There are two types of adjustments for adjusting the vibrator for piezoelectric vibration gyro. The other adjusts the sensitivity and responsiveness of the piezoelectric vibration gyro, and the other adjusts the output stability against null voltage and disturbance. The former adjusts the difference between the resonance frequency of the drive vibration of the vibrator and the resonance frequency of the detection vibration, and is generally called detuning. On the other hand, the latter is an adjustment for aligning the levels of detection signals obtained from the two detection electrodes, and is generally called balance adjustment. In order to stabilize the output against disturbances such as temperature changes and vibrations, the piezoelectric vibration gyro detects the detection vibration with two detection electrodes, and differentially amplifies the detection signal obtained from each detection electrode to output the output signal. The configuration is taken.
大まかに表現すると、離調は振動子の振動振幅に関わるもので、バランス調整は振動子の振動方向に関わるものである。 In general terms, detuning is related to the vibration amplitude of the vibrator, and balance adjustment is related to the vibration direction of the vibrator.
これらの離調やバランス調整で行われる追加工は、リュータと称する回転砥石やレーザ等が従前から利用されてきた。例えば、特許文献1には、振動子本体の端面をリュータで研削したり、レーザで穴加工を施すことで、バランス調整する技術が開示されている。この調整方法は、振動子の共振周波数や振動特性に最も影響が大きい振動子本体に手を加えるため、調整範囲も広く、また精度良く調整できることが知られている。
For the additional work performed by these detuning and balance adjustment, a rotary grindstone called a reuter, a laser, and the like have been used for some time. For example,
しかしながら、振動子本体に追加工する調整方法は、多かれ少なかれ振動子本体にマイクロクラックが発生し機械的強度が劣化する。特に、振動子が小形であるほどその影響が大きく、振動子の振動部分の細さが100μm以下と小形なものとなると、振動子本体に追加工する調整方法では機械的強度の信頼性確保が極めて難しいといった問題があった。 However, the adjustment method that is additionally performed on the vibrator main body causes more or less micro cracks in the vibrator main body and deteriorates the mechanical strength. In particular, the smaller the vibrator, the greater the effect. When the vibration part of the vibrator is small and less than 100 μm, the adjustment method additionally processed in the vibrator body can ensure the reliability of the mechanical strength. There was a problem that it was extremely difficult.
また調整方法の中には、振動子の電極を除去したり付着させたりする方法がある。例えば特許文献2は、イオンビームを発生し、Au電極を除去したり、金属イオンを付着させることで共振周波数を調整する技術が開示されている。この調整原理は、振動子の質量を変化させ共振周波数調整を行うものであり、適切な条件でイオンビームやレーザを用いれば、振動子本体にマイクロクラックを発生させることなく調整することができる。即ち、小形な振動子であっても機械的強度の信頼性確保が容易な調整方法と言える。但し、電極等の質量は振動子本体に対し微小であるため調整範囲が狭いといった問題がある。特に、振動子の振動方向を大きく変化させることが必要なバランス調整には利用し難い。
Among the adjustment methods, there is a method of removing or attaching the electrodes of the vibrator. For example,
レーザを用いる調整には、他に電極除去により浮遊容量をつくり離調する技術である特許文献3やモニタ電極を一部除去し自励発振信号を制御する技術である特許文献4があるが、いずれも振動方向の調整制御ができず、バランス調整、つまりはヌル電圧や外乱に対する出力安定性の調整を行うことは難しい。
For adjustment using a laser, there are
本発明は、機械的強度の信頼性を劣化させることがなく、バランス調整、つまりはヌル電圧や外乱に対する出力安定性の調整を可能とし、小形で信頼性の高い圧電振動ジャイロとその調整方法を提供することにある。 The present invention makes it possible to adjust the balance, that is, to adjust the output stability against a null voltage or a disturbance without deteriorating the reliability of the mechanical strength. It is to provide.
本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
まず始めに、一部ないしは全部が圧電体で構成された振動子を一方向に振動させる駆動手段と、前記一方向と垂直な他方向の振動の振幅を検出する手段とを有した振動ジャイロにおいて、前記圧電体の表面に略平行に複数の帯状電極を形成し、前記帯状電極の内の少なくとも1つを前記他方向の振動の振幅を検出する検出電極として用い、前記帯状電極の少なくとも1つは出力のバランス調整のために一部が除去された振動ジャイロとした。 First, in a vibrating gyroscope having driving means for vibrating a vibrator partially or entirely made of a piezoelectric material in one direction and means for detecting the amplitude of vibration in the other direction perpendicular to the one direction. Forming a plurality of strip electrodes substantially parallel to the surface of the piezoelectric body, using at least one of the strip electrodes as a detection electrode for detecting the amplitude of vibration in the other direction, and at least one of the strip electrodes Is a vibrating gyroscope partly removed for output balance adjustment.
更に、前記一方向の振動を駆動して角速度を加えていない状態で前記検出電極から得られる出力が所望の値を取るように、前記帯状電極の内少なくとも1つの帯状電極の一部を除去することを特徴とする振動ジャイロの調整方法を用いることができる。 Furthermore, a part of at least one of the strip electrodes is removed so that the output obtained from the detection electrode takes a desired value while driving the vibration in one direction and applying no angular velocity. It is possible to use a vibration gyro adjustment method characterized by this.
更に、前記複数の帯状電極に対する前記検出電極の相対位置を変化させるように、前記複数の帯状電極の内少なくとも1つの帯状電極の一部を除去することを特徴とする振動ジャイロの調整方法を用いることができる。 Furthermore, a vibration gyro adjustment method is used, wherein a part of at least one of the plurality of strip electrodes is removed so as to change a relative position of the detection electrode with respect to the plurality of strip electrodes. be able to.
前記の如く、本発明によれば、小形の振動子に対しても機械的強度を劣化させることがなく、バランス調整、つまりはヌル電圧や外乱に対する出力安定性の調整を可能とし、小形で信頼性の高い圧電振動ジャイロを得ることができる。 As described above, according to the present invention, the mechanical strength is not deteriorated even for a small vibrator, and balance adjustment, that is, adjustment of output stability against a null voltage or a disturbance can be performed, and the small vibrator is reliable. A high-performance piezoelectric vibration gyro can be obtained.
図1に一般的な圧電振動ジャイロ用振動子の一部を示す。図1(a)はその斜視図、図1(b)はその断面図であり、その断面については、他の表示との重なりを避けるために、ハッチングを省略した。図1を用い圧電振動ジャイロの原理を説明する。直方体形状の振動子本体1は圧電材料で構成されており、例えば水晶やニオブ酸リチウム等の単結晶材であったり、ジルコン酸チタン酸鉛等の多結晶体あるいはシリコン等に圧電体を製膜した複合材であってもかまわない。
FIG. 1 shows a part of a general piezoelectric vibration gyro vibrator. FIG. 1A is a perspective view thereof, and FIG. 1B is a sectional view thereof. In order to avoid overlapping with other displays, hatching is omitted. The principle of the piezoelectric vibration gyro will be described with reference to FIG. The rectangular
振動子本体1の表面に、帯状の電極2、3、4を略平行に形成し、電極2、4を基準電極とし、電極3を検出電極とする。図1(b)で白抜き矢印Pは分極の向きを示す。駆動手段は図示しないが、予め黒の矢印(両矢印)方向に屈曲の振動モードで駆動振動させておき、駆動振動に対し垂直方向の屈曲振動を検出できれば圧電振動ジャイロ用振動子として機能する。駆動振動と垂直方向の屈曲振動によって電極2・電極3間が伸びた場合、電極3・電極4間は縮むため、圧電効果で発生する電界は分極方向と平行に各々の電極間で逆向きに発生する。従い、電極2、4を基準電極としておけば、検出用の電極3には駆動振動と垂直方向の屈曲振動が生じた場合、振動振幅に応じた電荷が発生することとなり、図1の構成で圧電振動ジャイロ用振動子として機能する。尚、駆動振動に対しては、電極2・電極3間が伸びた場合、電極3・電極4間も伸びるため、圧電効果で発生する電界は分極方向と平行に各々の電極間で同じ向きに発生する。従い、電極2、4を基準電極としておけば、発生電界がキャンセルされ検出電極3には電荷が発生しない。つまり、検出用の電極3には、駆動振動と垂直方向の屈曲振動が生じた場合のみ電荷が発生することとなる。
Band-
しかしながら、図2に示すように、(図2(a)はその斜視図、図2(b)はその断面図)、実際に振動子を製造する場合、加工誤差部5のように振動子の外形の対称性が損なわれ、矢印のように駆動振動を検出電極に対し真っ直ぐに振動させることが出来ず斜めに振動することとなる。このように駆動振動が検出電極に対し斜めに振動した場合、つまり垂直方向の屈曲振動成分が含まれた場合、検出電極から角速度が加わらない状態で電荷が発生することとなり、ヌル電圧の発生や外乱に対する出力安定性を損なうこととなる。 However, as shown in FIG. 2 (FIG. 2A is a perspective view thereof, and FIG. 2B is a cross-sectional view thereof). The symmetry of the outer shape is lost, and the drive vibration cannot be vibrated straight with respect to the detection electrode as shown by the arrow, and vibrates obliquely. Thus, when the drive vibration vibrates obliquely with respect to the detection electrode, that is, when a vertical bending vibration component is included, charge is generated without applying an angular velocity from the detection electrode, and generation of a null voltage or The output stability against disturbance will be impaired.
この現象を改善するため、従前は、図3に示すように(図3(a)は斜視図、図3(b)は断面図)、加工誤差部5を研削部6でキャンセルさせるべく、端部に切削加工等でトリミング調整し、検出電極に対し駆動振動を真っ直ぐ振動させるようにしていた。しかし、小形の振動子では、振動子本体1の切削加工には圧電体の機械的性質に関わる問題があった。
In order to improve this phenomenon, as shown in FIG. 3 (FIG. 3 (a) is a perspective view and FIG. 3 (b) is a cross-sectional view), in order to cancel the
それに対し、本発明は、マイクロクラックの発生につながる切削加工を行うことなく、検出電極に対する駆動振動の方向性を制御するため、帯状の電極の一部をトリミングにより除去する。図面に基づいて説明する。 On the other hand, the present invention removes a part of the belt-like electrode by trimming in order to control the direction of driving vibration with respect to the detection electrode without performing cutting that leads to the generation of microcracks. This will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)図4は実施の形態1での振動ジャイロの調整方法を示し、図4(a)はその斜視図、図4(b)はその断面図であり、7、8、9は電極除去部である。
(Embodiment 1) FIG. 4 shows a method for adjusting a vibrating gyroscope according to
本実施の形態では、図4に示すように、電極2、3、4の幅方向の端部をレーザで除去し、電極2、3、4の中心位置(重心位置)をシフトさせ、加工誤差部5によって斜めになった駆動振動に対し相対的に真っ直ぐ振動されているようにした。具体的には、予め駆動振動させた状態で検出電極に発生する電荷量をモニタリングし、発生する電荷が0となるまで、電極2、3、4の端部であるトリミング部(電極除去部)7、8、9をレーザで除去することで実現できる。尚、ヌル電圧が0に近いほど、外乱に対する出力安定性も高まるので、ヌル電圧調整を行うことで、出力安定性調整も行え、バランス調整が可能になる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the ends in the width direction of the
(実施の形態2)図5は実施の形態2での振動ジャイロの調整方法を示す斜視図であり、11、12、13は電極除去部である。
(Embodiment 2) FIG. 5 is a perspective view showing a method for adjusting a vibrating gyroscope according to
図5に示す電極除去部11、12、13のように、トリミング部が振動子の長手方向に対し全部でなく一部であっても、実施の形態1と同様の効果を生むことができる。
Even if the trimming part is not all but part of the longitudinal direction of the vibrator as in the
(実施の形態3)図6は実施の形態3での振動ジャイロの調整方法を示す斜視図であり、13は電極除去部である。
(Embodiment 3) FIG. 6 is a perspective view showing a method for adjusting a vibrating gyroscope according to
図6のトリミング部(電極除去部)13のように、複数の電極の内、1つの電極だけに除去を行っても、実施の形態1及び2と同様の効果を生むことができる。 Even if the removal is performed on only one electrode among the plurality of electrodes as in the trimming portion (electrode removing portion) 13 in FIG. 6, the same effect as in the first and second embodiments can be produced.
(実施の形態4)図7は実施の形態4での振動ジャイロの調整方法を示す斜視図であり、14は電極除去部である。
(Embodiment 4) FIG. 7 is a perspective view showing a method for adjusting a vibrating gyroscope according to
図7のトリミング部(電極除去部)14のように、複数の電極の内、1つの電極だけの端部に除去を行っても、実施の形態1〜3と同様の効果を生むことができる。 The same effects as those of the first to third embodiments can be obtained by removing the end of only one electrode among the plurality of electrodes as in the trimming unit (electrode removing unit) 14 of FIG. .
(実施の形態5)図8は実施の形態5での振動ジャイロの調整方法を示す斜視図であり、15は電極除去部である。
(Embodiment 5) FIG. 8 is a perspective view showing a method for adjusting a vibrating gyroscope according to
図8では、図7の電極除去部14の全部分を除去するのではなく、その一部分を除去し、電極除去部15のようにすることでも実施の形態4と同様の効果を生むことができる。
In FIG. 8, the same effect as that of the fourth embodiment can be obtained by removing a part of the
それらの実施の形態での調整方法について補足する。検出電極に対する振動方向の曲がり方によって、上記のような様々な形状の電極除去が必要になるが、一般に、検出電極の一部を除去するとその検出効率が低下する。また、帯状電極の幅方向を除去するよりも、長手方向を除去するほうがその低下は大きくなる。その点、図5の調整方法は検出効率をほとんど落とさず調整できる方法である。しかしながら、調整工程におけるレーザ照射タクトやレーザ照射による振動子へのダメージを考えると、できるだけ除去範囲が小さいほうが好ましいため、図8の調整方法が生産性や信頼性面で優位と言える。 It supplements about the adjustment method in those embodiment. Depending on the bending direction of the vibration direction with respect to the detection electrode, it is necessary to remove the electrodes having various shapes as described above. In general, when a part of the detection electrode is removed, the detection efficiency is lowered. Further, the reduction is greater when the longitudinal direction is removed than when the width direction of the strip electrode is removed. In that respect, the adjustment method of FIG. 5 is a method that can be adjusted without substantially reducing the detection efficiency. However, considering the laser irradiation tact in the adjustment process and damage to the vibrator due to laser irradiation, it is preferable that the removal range is as small as possible. Therefore, the adjustment method in FIG. 8 can be said to be superior in terms of productivity and reliability.
調整量が少なくて済む場合は信頼性を重視し図5の調整方法で行い、調整量が多く必要な場合は図8の調整方法で行うとよい。 When the adjustment amount is small, the reliability is emphasized by the adjustment method of FIG. 5, and when a large adjustment amount is necessary, the adjustment method of FIG.
本発明は、圧電効率の制御により調整するものであり、質量制御でないため、電極は必要以上に厚く形成する必要がなく、導通の信頼性を確保できる例えば0.3μm程度でかまわなく、製膜コスト等の生産性も損なうことがない。また、調整に使用するレーザも電極を除去できる程度で構わないため、大パワーを必要としない比較的安価なものでまかなえる。 Since the present invention is adjusted by controlling the piezoelectric efficiency and is not mass controlled, the electrode does not need to be formed thicker than necessary, and the reliability of conduction can be ensured, for example, about 0.3 μm. There is no loss of productivity such as costs. Further, since the laser used for the adjustment may be such that the electrode can be removed, a relatively inexpensive one that does not require a large power can be used.
1 振動子本体
2、3、4 電極
5 加工誤差部
6 研削部
7〜15 電極除去部
DESCRIPTION OF
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007111444A JP2008267983A (en) | 2007-04-20 | 2007-04-20 | Piezoelectric vibrating gyroscope and its adjusting method |
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JP2007111444A Pending JP2008267983A (en) | 2007-04-20 | 2007-04-20 | Piezoelectric vibrating gyroscope and its adjusting method |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013234873A (en) * | 2012-05-07 | 2013-11-21 | Seiko Epson Corp | Vibrating piece and manufacturing method for the vibrating piece, gyro sensor, and electronic apparatus and mobile body |
US9347776B2 (en) | 2012-03-28 | 2016-05-24 | Seiko Epson Corporation | Vibrating element and manufacturing method for the same, gyro sensor, electronic apparatus and moving object |
US9354060B2 (en) | 2012-03-28 | 2016-05-31 | Seiko Epson Corporation | Vibrating element, gyro sensor, electronic apparatus and moving object |
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2007
- 2007-04-20 JP JP2007111444A patent/JP2008267983A/en active Pending
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US9354060B2 (en) | 2012-03-28 | 2016-05-31 | Seiko Epson Corporation | Vibrating element, gyro sensor, electronic apparatus and moving object |
US9523578B2 (en) | 2012-03-28 | 2016-12-20 | Seiko Epson Corporation | Vibrating element and manufacturing method for the same, gyro sensor, electronic apparatus and moving object |
JP2013234873A (en) * | 2012-05-07 | 2013-11-21 | Seiko Epson Corp | Vibrating piece and manufacturing method for the vibrating piece, gyro sensor, and electronic apparatus and mobile body |
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