JP4309814B2 - Method for adjusting vibrator for piezoelectric vibration gyro - Google Patents
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Description
本発明は、主として自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラー体型VTRの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープ用の圧電振動ジャイロの製造工程での圧電振動ジャイロ用振動子の調整方法に関するものである。 The present invention relates to a method for adjusting a vibrator for a piezoelectric vibration gyro in a manufacturing process of a piezoelectric vibration gyro for a gyroscope used mainly in a navigation system, an attitude control device for an automobile, a camera shake prevention device for a camera body type VTR, and the like. .
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。電気的な信号を印加することで機械的な振動(駆動モード)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(検出モード)の大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出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モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆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呼ぶ。 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. Mechanical vibration (drive mode) can be excited by applying an electrical signal, and the magnitude of mechanical vibration (detection mode) in the direction orthogonal to the drive vibration can be detected electrically. When the angular velocity about the axis parallel to the intersection line of the vibration surface of the drive mode and the vibration surface of the detection mode is given in the state where the drive mode is excited in advance, the above action of the Coriolis force causes The detection mode occurs and is detected as the output voltage. Since the detected output voltage is proportional to the magnitude and angular velocity of the drive mode, the magnitude of the angular velocity can be obtained from the magnitude of the output voltage when the magnitude of the drive mode is constant. Among vibration gyros, those that convert electrical signals and mechanical vibrations by the piezoelectric effect are called piezoelectric vibration gyros.
小型で安価な圧電振動ジャイロは、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の手振れ検出用センサとして広く一般に利用されている。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更なる小型化の要求も高まってきた。しかしながら、圧電振動ジャイロの小型化を図る上で、振動子の加工精度、組み立て精度のばらつきの相対的な増加に対し効率の良い補正手段を考える必要が生じている。これらのばらつきは、振動子の駆動と検出モードの共振周波数差(以下、Δfとし、本文ではΔf=駆動モードの共振周波数−検出モードの共振周波数、と定義する)のばらつきに影響を与え、Δfのばらつきは、圧電振動ジャイロの感度のばらつきに影響を与える。 A small and inexpensive piezoelectric vibration gyro is widely used as a camera shake detection sensor for digital video cameras, digital still cameras, and the like. In recent years, the demand for further miniaturization of the piezoelectric vibrating gyroscope has been increased with the progress of miniaturization of these portable digital devices and higher integration of functions. However, in order to reduce the size of the piezoelectric vibration gyro, it is necessary to consider an efficient correction means for a relative increase in variations in processing accuracy and assembly accuracy of the vibrator. These variations affect the variation in the resonance frequency difference between the driving of the vibrator and the detection mode (hereinafter referred to as Δf, and in this text, Δf = resonance frequency in the drive mode−resonance frequency in the detection mode), and Δf The variation in sensitivity affects the variation in sensitivity of the piezoelectric vibration gyro.
これまでこうした振動子の加工精度、組み立て精度のばらつきは、振動子を組み立てた後、Δfを機械的加工等で調整し、所定の特性を満足させてきた。そのような音叉形振動子の調整方法として、例えば特許文献1に開示された技術がある。図6(b)にその音叉形振動子の正面図を示した。単結晶の矩形板ベース300に同じ材料、同じ厚みの音叉アーム301および302が接続された単結晶音叉形振動子を構成し、さらにセラミック支持基板311に接着剤を用いて接続した構成である。図6(a)は、セラミック支持基板長dと音叉形振動子のfxモード(後述する本発明の音叉振動モードに対応)とfyモード(後述する本発明の面外振動モードに対応)の共振周波数の関係を示している。fxモードは、支持特性が良好で支持基板へ振動漏れが無い。したがって、fxモードの共振周波数は、支持基板長dに依存しない。しかし、fyモードは、捩れ振動が支持基板へ漏れるため、支持基板長dに大きく依存する。その結果、支持基板長dの調整によって、ΔfおよびfyモードのQ値を調節することが可能となる。その他の効果としては、音叉形振動子のベースにセラミック支持基板を接続することにより、振動子の長さ方向の軸に関してモーメントを大きくすることができ、fyモードの捩れ振動を抑圧し、fyモードの支持を容易にする効果も期待できる。
In the past, variations in processing accuracy and assembly accuracy of the vibrator have been satisfied by satisfying predetermined characteristics by adjusting Δf by mechanical processing after the vibrator is assembled. As a method for adjusting such a tuning fork vibrator, for example, there is a technique disclosed in
また音片形振動子の調整方法として、振動子表裏の電極が配置されている主面に対して切削加工を施し、Δfおよび振動方向を調整する技術が、例えば、特許文献2に開示されている。図7は、その振動子の形状および電極構成を示す斜視図である。厚み方向に互いに逆向きに分極されている圧電セラミクス矩形板105と104が中間電極103を挟み込んで積層されバイモルフ型の振動子101が構成され、振動子101の一方の主面には、振動子101の長手方向に関して2分割された駆動兼検出電極102aおよび102bが配置され、他方の主面には基準電位電極106が配置されている。振動子101は、屈曲振動のノード点付近でワイヤ108で支持され、振動ジャイロ100が構成されている。振動子の2つの主面に対し、位置107に切削加工を施し、駆動振動モードである振動子101の主面にほぼ垂直な屈曲振動モードの共振周波数を低下させると共に、振動の方向を調整することができる。この切削加工を何度か繰り返し、Δfの適正値に調整し、同時に出力バランスも調整する。
Further, as a method for adjusting a sound piece-shaped vibrator, a technique for adjusting Δf and the vibration direction by cutting the main surface on which the electrodes on the front and back of the vibrator are arranged is disclosed in
しかしながら、特許文献1の技術では、セラミック支持基板の長さの調整やスリットを形成すること等でΔf調整を行い、音叉形振動子とセラミック支持基板を接続する工程が必要となりコストアップや接着剤層の管理の難しさから歩留まり低下が懸念される。
However, in the technique of
特許文献2の技術では、振動子の主面に対して、切削加工を施し、Δfと同時に振動の方向を調整する。しかし、調整の際に、本来必要とされる電極に対しても切削加工を行うため、電極の励振効率が劣化し、感度ばらつきの原因となる。
In the technique of
そこで、本発明は、圧電体またはその支持体には加工を施さず、低コストで、高精度な圧電振動ジャイロ用振動子の調整方法を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for adjusting a vibrator for a piezoelectric vibration gyro with high accuracy at low cost without processing the piezoelectric body or its support body.
上記課題を解決するため、本発明の圧電振動ジャイロ用振動子には、電極を振動子の1側面だけで構成できる単結晶の音叉形振動子を採用し、駆動、検出および基準電位の電極が配置されていない他方の主面に対し、Δfを調整するための周波数調整用電極を形成する。この周波数調整用電極に対して任意のトリミングを行ってΔfを調節しても、振動子の駆動・検出効率の変化はなく、圧電振動ジャイロの特性を劣化させることのない圧電振動ジャイロ用振動子の調整方法を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the piezoelectric vibration gyro vibrator of the present invention employs a single crystal tuning fork vibrator in which the electrode can be constituted by only one side surface of the vibrator, and the drive, detection and reference potential electrodes are provided. A frequency adjusting electrode for adjusting Δf is formed on the other principal surface that is not arranged. Even if this frequency adjustment electrode is subjected to arbitrary trimming to adjust Δf, there is no change in the drive / detection efficiency of the vibrator, and the piezoelectric vibratory gyroscope does not deteriorate in characteristics. Provide a method of adjustment.
すなわち、第1の発明の圧電振動ジャイロ用振動子の調整方法は、第1および第2のアームと前記アームを接続したベースが圧電単結晶にて一体的に形成され、前記第1、第2のアームおよび前記ベースの1つの主面のみに駆動用および検出用の電極が形成された音叉形振動子を具備し、振動モードの1つである音叉振動と前記音叉振動に直交した面外振動とを励振および検出する音叉形圧電振動ジャイロの製造工程で、前記主面と対向する他の主面には、予め周波数調整用電極が形成されており、前記周波数調整用電極の一部の領域をトリミングにより分割して浮遊電極となる分割電極を形成することで、前記音叉振動と前記面外振動との共振周波数差を調整することを特徴とする。 In other words, the piezoelectric vibration gyro vibrator adjustment method according to the first aspect of the present invention is such that the first and second arms and the base connecting the arms are integrally formed of a piezoelectric single crystal, and the first and second arms are integrally formed. A tuning fork vibrator in which driving and detection electrodes are formed only on one main surface of the arm and the base, and a tuning fork vibration which is one of vibration modes and an out-of-plane vibration orthogonal to the tuning fork vibration In the manufacturing process of the tuning-fork type piezoelectric vibration gyro that excites and detects the frequency adjustment electrode, a frequency adjustment electrode is formed in advance on the other main surface facing the main surface, and a partial region of the frequency adjustment electrode The resonance frequency difference between the tuning fork vibration and the out-of-plane vibration is adjusted by forming a divided electrode that becomes a floating electrode by dividing the pattern by trimming.
第2の発明の圧電振動ジャイロ用振動子の調整方法は、第1の発明において、前記音叉振動による前記分割電極の表面に発生する電荷がほぼ零となるか、または正負の電荷が打ち消し合うことで総和がほぼ零となるように、かつ、前記面外振動による発生電荷および前記周波数調整用電極と分割電極の間の静電容量が所望の周波数調整量に対応するように前記分割電極の位置と形状を調整することで前記面外振動の共振周波数を選択的に高める調整を行うことを特徴とする。 The piezoelectric vibration gyro vibrator adjustment method according to a second aspect of the present invention is the method according to the first aspect, wherein the charges generated on the surface of the divided electrode by the tuning fork vibration are substantially zero or the positive and negative charges cancel each other. The position of the divided electrode is such that the sum is substantially zero and the charge generated by the out-of-plane vibration and the capacitance between the frequency adjusting electrode and the divided electrode correspond to a desired frequency adjustment amount. And adjusting the shape to selectively increase the resonance frequency of the out-of-plane vibration.
第3の発明の圧電振動ジャイロ用振動子の調整方法は、第1の発明において、前記面外振動により前記分割電極の表面に発生する電荷がほぼ零となるか、または正負の電荷が打ち消し合うことで総和がほぼ零となるように、かつ、前記音叉振動による発生電荷および前記周波数調整用電極と分割電極の間の静電容量が所望の周波数調整量に対応するように前記分割電極の位置と形状を調整することで、前記音叉振動の共振周波数を選択的に高める調整を行うことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for adjusting a vibrator for a piezoelectric vibration gyro according to the first aspect, wherein the charges generated on the surface of the divided electrode by the out-of-plane vibration are substantially zero or the positive and negative charges cancel each other. Thus, the position of the divided electrodes is such that the sum is substantially zero, and the electric charge generated by the tuning fork vibration and the capacitance between the frequency adjusting electrode and the divided electrode correspond to a desired frequency adjustment amount. And adjusting the shape to selectively increase the resonance frequency of the tuning fork vibration.
まず、第1の発明の調整方法により、圧電振動ジャイロの駆動および検出効率に寄与する電極は、周波数調整用電極が形成された面には配置されておらず、従来の電極を避けながら行う調整とは異なり、自由度の高い調整を行うことが可能である。従来の調整方法のように、振動子の電極に欠損部を生じることも無く、振動子の励振・検出効率は、調整前後で変化しない。したがって、Δfの調整量の大小に関わらず適切な調整を行った後の振動子の特性には、ばらつきが非常に小さくなり、感度のばらつきを抑え、回路側への負担を軽減できる。 First, according to the adjustment method of the first invention, the electrode that contributes to the drive and detection efficiency of the piezoelectric vibration gyro is not arranged on the surface on which the frequency adjustment electrode is formed, and the adjustment is performed while avoiding the conventional electrode. In contrast, it is possible to perform adjustment with a high degree of freedom. As in the conventional adjustment method, there is no defect in the vibrator electrode, and the excitation / detection efficiency of the vibrator does not change before and after the adjustment. Therefore, regardless of the amount of adjustment of Δf, the characteristic of the vibrator after the appropriate adjustment is very small, the sensitivity variation can be suppressed, and the burden on the circuit side can be reduced.
第2の発明の調整方法では、レーザ加工等により分割電極を形成する際、分割電極と音叉振動の電気機械結合を小さく、分割電極と面外振動の電気機械結合を所望の大きさになるようにトリミングを行う。その結果、分割電極と周波数調整用電極間の静電容量が、音叉振動の共振周波数に影響を与えず、面外振動の共振周波数のみを選択的に高くすることが可能となる。分割電極と周波数調整用電極間の静電容量の影響により容量比は若干劣化するが、力係数が変化することはないため、本質的には問題ない。 In the adjusting method of the second invention, when forming the divided electrode by laser processing or the like, the electromechanical coupling of the divided electrode and the tuning fork vibration is made small, and the electromechanical coupling of the divided electrode and the out-of-plane vibration becomes a desired size. Trimming. As a result, the capacitance between the divided electrode and the frequency adjusting electrode does not affect the resonance frequency of the tuning fork vibration, and it is possible to selectively increase only the resonance frequency of the out-of-plane vibration. Although the capacitance ratio slightly deteriorates due to the influence of the capacitance between the divided electrode and the frequency adjusting electrode, there is essentially no problem because the force coefficient does not change.
第3の発明の調整方法では、レーザ加工等により分割電極を形成する際、分割電極と面外振動の電気機械結合を小さく、分割電極と音叉振動の電気機械結合を所望の大きさになるようにトリミングを行う。その結果、分割電極と周波数調整用電極間の静電容量が、面外振動の共振周波数に影響を与えず、音叉振動の共振周波数のみを選択的に高くすることが可能となる。 In the adjustment method of the third invention, when the divided electrode is formed by laser processing or the like, the electromechanical coupling between the divided electrode and the out-of-plane vibration is reduced, and the electromechanical coupling between the divided electrode and the tuning fork vibration is set to a desired size. Trimming. As a result, the capacitance between the divided electrode and the frequency adjusting electrode does not affect the resonance frequency of the out-of-plane vibration, and only the resonance frequency of the tuning fork vibration can be selectively increased.
全体として上記の解決手段を用いる本発明によれば、周波数調整用電極に対して任意のトリミングを行うことが可能である。音叉振動および面外振動の共振周波数をそれぞれ独立に調整することが可能であり、Δfを正負の両方向に調節することが可能である。また、調整前後での実質的な振動子の駆動・検出効率の変化はなく、圧電振動ジャイロの特性を劣化させることはない。さらに、圧電体そのものには加工を施さず、電極のみをレーザ等でトリミングするだけでΔfを調整できるため、機械的な調整に比べて小さなエネルギーで容易に高精度な調整を行うことが可能である。すなわち、本発明の効果は、振動子の大幅な小型化を図った場合においても、生産性が高く、ばらつきの小さい圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の調整方法を提供することができることである。 According to the present invention using the above solution as a whole, arbitrary trimming can be performed on the frequency adjusting electrode. The resonance frequencies of the tuning fork vibration and the out-of-plane vibration can be adjusted independently, and Δf can be adjusted in both positive and negative directions. Further, there is no substantial change in the drive / detection efficiency of the vibrator before and after adjustment, and the characteristics of the piezoelectric vibration gyro are not deteriorated. Furthermore, since the piezoelectric body itself is not processed and Δf can be adjusted by trimming only the electrodes with a laser or the like, it is possible to easily perform high-precision adjustment with less energy compared to mechanical adjustment. is there. That is, the effect of the present invention is to provide a method for adjusting a tuning fork vibrator for a piezoelectric vibration gyro with high productivity and small variations even when the vibrator is greatly reduced in size.
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、音叉形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。図1は、本発明での音叉形圧電振動ジャイロ用振動子の振動モードを示し、図1(a)は音叉振動モードを示す斜視図、図1(b)は面外振動モードを示す斜視図である。このような音叉形の圧電体に、図1(a)および図1(b)の振動モードに結合した電極を配置し、励振および検出可能な音叉形圧電振動子を構成する。このとき音叉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する。その状態で、振動子の長さ方向の軸に角速度を加えると、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。本実施の形態では、駆動モードに音叉振動モードを、検出モードに面外振動モードを利用しているが、これらを入れ替えて、駆動モードに面外振動モードを、検出モードに音叉振動モードを利用することも可能である。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First, the basic operation principle of the tuning fork type piezoelectric vibration gyro will be described. FIG. 1 shows a vibration mode of a vibrator for a tuning fork type piezoelectric vibration gyro according to the present invention, FIG. 1 (a) is a perspective view showing a tuning fork vibration mode, and FIG. 1 (b) is a perspective view showing an out-of-plane vibration mode. It is. An electrode coupled to the vibration mode shown in FIGS. 1A and 1B is arranged on such a tuning-fork-shaped piezoelectric body to constitute a tuning-fork-type piezoelectric vibrator that can be excited and detected. At this time, a drive signal having a frequency close to the resonance frequency of the tuning fork vibration mode is applied to the electrode to excite the tuning fork vibration mode. In this state, when an angular velocity is applied to the longitudinal axis of the vibrator, a Coriolis force proportional to the angular speed acts on the vibrator, and an out-of-plane vibration mode is generated. If an electric signal generated by this out-of-plane vibration mode is taken out from the electrode, an electric signal proportional to the angular velocity can be obtained and function as a piezoelectric vibration gyro. In this embodiment, the tuning fork vibration mode is used for the drive mode and the out-of-plane vibration mode is used for the detection mode, but these are interchanged, and the out-of-plane vibration mode is used for the drive mode and the tuning fork vibration mode is used for the detection mode. It is also possible to do.
本発明の一実施の形態における圧電振動ジャイロ用振動子としての、音叉形振動子の斜視図を図2に示す。この音叉形振動子の寸法は、全長7mm、幅1.12mm、厚み0.4mm、音叉アーム長さ4mm、音叉アーム幅0.35mmであり、音叉振動モードおよび面外振動モードの共振周波数は、約20kHzであり、平行で左右対称に配置された2本のアーム2および3とそれらを接続したベース1の圧電体を形成している。アーム2には、アーム2の長手方向と平行に駆動電極6とその左右に検出電極10および基準電位電極9を配置している。同様に、アーム3には、アーム3の長手方向と平行に駆動電極5とその左右に検出電極7および基準電位電極8を配置している。さらに、これらの電極の面に対向する主面(裏面)に一様なベタ電極を形成し、周波数調整用電極20としている。ただし、この周波数調整用電極20は主面の全面に形成する必要はなく、一般には電荷が集中する部分を覆うような広い面に形成し、基準電位またはグランドに接続することで、周波数調整を行う。
FIG. 2 is a perspective view of a tuning fork vibrator as a piezoelectric vibration gyro vibrator according to an embodiment of the present invention. The dimensions of this tuning fork vibrator are a total length of 7 mm, a width of 1.12 mm, a thickness of 0.4 mm, a tuning fork arm length of 4 mm, and a tuning fork arm width of 0.35 mm. The resonance frequency of the tuning fork vibration mode and the out-of-plane vibration mode is The two
ここで用いた圧電体は、振動子の長手方向を、その結晶のY軸がX軸に関して40°回転した軸と平行にしたLiTaO3圧電単結晶X板、または、振動子の長手方向を結晶のY軸がX軸に関して50°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、振動子の幅方向の電界に対して、圧電横効果が大きい。したがって、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を生じさせ、アームを屈曲させることができる。 The piezoelectric body used here is a LiTaO 3 piezoelectric single crystal X plate in which the longitudinal direction of the vibrator is parallel to the axis in which the Y axis of the crystal is rotated by 40 ° with respect to the X axis, or the longitudinal direction of the vibrator is crystallized. A LiNbO 3 piezoelectric single crystal X plate whose Y axis is parallel to an axis rotated by 50 ° with respect to the X axis is used, and the piezoelectric lateral effect is large with respect to the electric field in the width direction of the vibrator. Therefore, by applying an electric field in the width direction of the vibrator, distortion can be generated in the longitudinal direction of the vibrator and the arm can be bent.
図3は、図1の音叉形振動子の振動モードの励振および検出の様子を示す断面図である。駆動電極6と検出電極10および基準電位電極9の間に駆動電圧を印加することで、図3(a)のような電界が発生する。その結果、駆動電極6の左右では、逆向きの電界となるため、一方では長さ方向に伸び、もう一方では長さ方向に縮むこととなる。したがって、音叉振動モードを駆動電極6により励振することができる。
3 is a cross-sectional view showing a state of excitation and detection of the vibration mode of the tuning fork vibrator of FIG. By applying a drive voltage between the
同様に、駆動電極5と検出電極7および基準電位電極8の聞に駆動電極6に加えた電圧と逆位相の電圧を印加することで、音叉振動モードを2倍の効率で励振することができる。次に、アームの長手方向の軸に角速度を加えると、図3(b)のようにコリオリ力に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が逆向きに振動する。この振動の検出には、検出電極10と基準電位電極9および検出電極7と基準電位電極8の間の信号差として検出することができる。なお、図3に示した通り、面外振動モードによって生じる検出電極7と検出電極10の信号は、同振幅、同位相である。なお、上記の説明では、駆動モードに音叉振動モードを、検出モードに面外振動モードを利用して、圧電振動ジャイロを構成する場合について説明したが、駆動モードと検出モードを入れ替えた場合にも同様に使用することができる。
Similarly, the tuning fork vibration mode can be excited with twice the efficiency by applying a voltage opposite in phase to the voltage applied to the
図4は、本発明の一実施の形態における周波数調整方法について示したものである。図4(a)は、音叉振動において周波数調整用電極の表面に現れる電荷分布の概略図であり、図4(b)は、面外振動において周波数調整用電極表面に現れる電荷分布の概略図である。図4(a)および図4(b)から明らかなように、音叉振動の電荷分布は、それぞれのアームで幅方向に3つの領域に分かれており、中央とその両端の領域で極性が反転し、さらに、左右のアームで互いに分布の極性が反転している。面外振動の電荷分布は、それぞれのアームの左右両端に振動子の長さ方向に沿って分布しており、振動子内側2つの領域と外側2つの領域で極性が反転する。 FIG. 4 shows a frequency adjustment method according to an embodiment of the present invention. 4A is a schematic diagram of the charge distribution appearing on the surface of the frequency adjusting electrode in the tuning fork vibration, and FIG. 4B is a schematic diagram of the charge distribution appearing on the surface of the frequency adjusting electrode in the out-of-plane vibration. is there. As is clear from FIGS. 4 (a) and 4 (b), the charge distribution of the tuning fork vibration is divided into three regions in the width direction in each arm, and the polarity is inverted between the center and the regions at both ends. Furthermore, the polarities of the distributions are reversed between the left and right arms. The charge distribution of out-of-plane vibration is distributed along the length direction of the vibrator at the left and right ends of each arm, and the polarity is inverted between the two areas inside the vibrator and the two areas outside.
以上の電荷分布に基づき、本発明の圧電振動ジャイロ用振動子の調整方法において、周波数調整を行うための分割電極の形成例を、図4(c)、図4(d)に示す。図4(c)中のAおよびBの領域は、アームの幅を2分割するように形成されている。図4(a)の音叉振動の電荷分布では、正負の電荷が互いに相殺され、総和としては、ほぼ零となる。しかし、図4(b)の面外振動の電荷分布では、正負どちらかの電荷しか存在しない。従って、図4(c)のAおよびBの領域をレーザトリミング等により切り離し、すなわち、破線で示した長方形の一辺に沿う分離線42に沿ってトリミングを行い、中央の部分から分離して浮遊電極となる分割電極41を形成することで、AおよびBの分割電極41は、面外振動への電気機械結合を持つが、音叉振動への電気機械結合は持たない電極となる。このAおよびBの分割電極41を中央部の周波数調整用電極20と電気的に絶縁し、開放状態とすることで、面外振動の等価回路定数の直列容量を小さくし、面外振動の共振周波数のみを選択的に高くすることができる。また、周波数調整用電極20と分割電極41の静電容量を調整することによって、所望の周波数調整量を得ることができる。
4 (c) and 4 (d) show examples of forming divided electrodes for performing frequency adjustment in the method for adjusting a vibrator for piezoelectric vibration gyro according to the present invention based on the above charge distribution. Regions A and B in FIG. 4C are formed so that the width of the arm is divided into two. In the charge distribution of the tuning fork vibration shown in FIG. 4A, the positive and negative charges cancel each other, and the sum is almost zero. However, in the charge distribution of out-of-plane vibration in FIG. 4B, only positive or negative charge exists. Accordingly, the regions A and B in FIG. 4C are separated by laser trimming or the like, that is, trimming is performed along the
同様に、図4(d)中のA’およびB’の領域は、面外振動の電荷分布では、ほぼ電荷が分布していない。しかし、音叉振動の電荷分布では、正負どちらかの電荷のみが存在する。従って、図4(d)のA’およびB’の領域をレーザトリミング等により切り離し、分割電極41とすることで、A’およびB’の分割電極41は、音叉振動への電気機械結合を持つが、面外振動への電気機械結合は持たない電極となる。このA’およびB’の分割電極41を周波数調整用電極20と電気的に絶縁し、開放状態とすることで、音叉振動の等価回路定数の直列容量を小さくし、音叉振動の共振周波数のみを選択的に高くすることができる。また、周波数調整用電極20と分割電極41の静電容量を調整することによって、所望の周波数調整量を得ることができる。
Similarly, in the regions A ′ and B ′ in FIG. 4D, almost no charge is distributed in the charge distribution of out-of-plane vibration. However, in the charge distribution of tuning fork vibration, only positive or negative charge exists. Therefore, by separating the regions A ′ and B ′ of FIG. 4D by laser trimming or the like to form the divided
以上の方法で周波数調整を行った場合の周波数変化量を有限要素法による解析で求め、図5に示した。図5(a)は、AおよびBの分割電極をそれぞれ形成した場合とAとBの分割電極を同時に形成した場合の共振周波数の変化量を示している。AとBの分割電極の効果は、ほぼ同じであり、面外振動の共振周波数を約1200ppm高くすることができる。また、AとBを同時に形成することで効果は2倍となる。さらに、音叉振動の共振周波数の変化量は、20ppm以下である。同様に、図5(b)は、A’およびB’の分割電極をそれぞれ形成した場合とA’とB’の分割電極を同時に形成した場合の共振周波数の変化量を示している。A’とB’の分割電極の効果は、ほぼ同じであり、音叉振動の共振周波数を約1400ppm高くすることができる。また、A’とB’を同時に形成することで効果は2倍となる。さらに、面外振動の共振周波数の変化量は、3ppm以下である。上記の分割電極は、調整方法の一例であり、さらに電荷分布の集中している部分に限定した分割電極を形成することで、より大きく周波数を変化させることが可能である。 The amount of frequency change when the frequency adjustment is performed by the above method is obtained by analysis by the finite element method and is shown in FIG. FIG. 5A shows the amount of change in the resonance frequency when the A and B divided electrodes are formed and when the A and B divided electrodes are formed simultaneously. The effects of the divided electrodes A and B are substantially the same, and the resonance frequency of out-of-plane vibration can be increased by about 1200 ppm. Moreover, the effect is doubled by forming A and B simultaneously. Furthermore, the amount of change in the resonance frequency of the tuning fork vibration is 20 ppm or less. Similarly, FIG. 5B shows the amount of change in the resonance frequency when the divided electrodes A ′ and B ′ are respectively formed and when the divided electrodes A ′ and B ′ are formed at the same time. The effects of the divided electrodes A ′ and B ′ are almost the same, and the resonance frequency of the tuning fork vibration can be increased by about 1400 ppm. Also, the effect is doubled by forming A 'and B' simultaneously. Furthermore, the amount of change in the resonance frequency of out-of-plane vibration is 3 ppm or less. The above-described divided electrode is an example of an adjustment method, and the frequency can be changed more greatly by forming the divided electrode limited to a portion where the charge distribution is concentrated.
すなわち、本発明によれば、周波数調整用電極に対して任意のトリミングを行うことが可能である。音叉振動および面外振動の共振周波数をそれぞれ独立に調整することが可能であり、Δfを正負の両方向に調節することが可能である。また、調整前後での実質的な振動子の駆動・検出効率の変化はなく、圧電振動ジャイロの特性を劣化させることはない。さらに、電極のみをレーザ等で切り出すだけでΔfを調整できるため、機械的な調整に比べて小さなエネルギーで容易に高精度な調整を行うことが可能である。従って、本発明により、振動子の大幅な小型化を図った場合においても、生産性が高く、ばらつきの小さい圧電振動ジャイロ用振動子の調整方法を提供することができる。 That is, according to the present invention, arbitrary trimming can be performed on the frequency adjusting electrode. The resonance frequencies of the tuning fork vibration and the out-of-plane vibration can be adjusted independently, and Δf can be adjusted in both positive and negative directions. Further, there is no substantial change in the drive / detection efficiency of the vibrator before and after adjustment, and the characteristics of the piezoelectric vibration gyro are not deteriorated. Furthermore, since Δf can be adjusted only by cutting out only the electrode with a laser or the like, it is possible to easily perform highly accurate adjustment with less energy than mechanical adjustment. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a method for adjusting a vibrator for a piezoelectric vibration gyro with high productivity and small variation even when the vibrator is greatly reduced in size.
1 ベース
2,3 アーム
5,6 駆動電極
7,10 検出電極
8,9 基準電位電極
20 周波数調整用電極
41 分割電極
42 分離線
1
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