JP4415365B2

JP4415365B2 - 振動子の検出離調の測定方法およびその調整方法

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Publication number: JP4415365B2
Application number: JP2003076112A
Authority: JP
Inventors: 信谷; 菊池　　尊行
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP2004286476A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子の検出離調の測定方法およびその調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、駆動振動片と検出振動片とを有する振動子において、アーム先端の質量を除去することによって検出離調を調整する方法を開示している。
【特許文献１】
特開平１１−７２３３４号公報
【０００３】
特許文献２によれば、縦置きＨ型音叉振動子において、駆動振動片の先端及び検出振動片の各先端にそれぞれバランスマスを設け、その質量を除去または付加することによって、検出離調を調整している。
【特許文献２】
特開２００２−７１３５４号公報
【０００４】
振動子を量産する際には、ジャイロ特性を一定に保持する必要があり、このために振動子製品間で検出離調を一定値に揃える必要がある。この際、振動子の検出離調を測定する方法としては、次の方法がある。
（１）インピーダンス掃引測定により、駆動共振周波数と検出共振周波数を個別に測定し、その差を求め、検出離調の測定値とする。
（２）自励発振周波数測定によって、駆動共振周波数と検出共振周波数とを個別に測定し、その差を求め、検出離調の測定値とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
インピーダンス掃引測定法は、測定時間が長いので、量産工程には不向きである。また、振動子が小型化すると振動子のインピーダンスが高くなる為に、自励発振が困難になっており、自励発振周波数測定は適用困難であった。更に、いずれの方法においても、駆動共振周波数と検出共振周波数を個別に測定する為に、配線の接続切り替え機構が必要であり、装置が複雑であった。
【０００６】
本発明の課題は、駆動共振周波数と検出共振周波数を個別に測定することなく、短時間で検出離調を測定する方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
振動子の検出離調を測定する方法であって、
振動子が、基部、この基部の周縁部から突出する一対の支持部、各支持部から支持部に直交する方向に延びる駆動振動片、基部の周縁部から突出する一対の検出振動片、駆動振動片に駆動モードの振動を励振する前記駆動振動片上の駆動電極、および回転角速度に応じて検出振動片に励振される検出モードの振動を検出する前記検出振動片上の検出電極を備えており、
回転角速度が０の場合に駆動振動片の質量を変化させることによって駆動モードの振動の共振周波数を変化させたときの漏れ振動信号の変化、および漏れ振動信号の変化の検出離調に対する反比例係数に基づいて、検出離調を算出することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、
振動子の検出離調を調整する方法であって、
振動子が、基部、この基部の周縁部から突出する一対の支持部、各支持部から各支持部に直交する方向に延びる駆動振動片、基部の周縁部から突出する検出振動片、駆動振動片に駆動モードの振動を励振する駆動振動片上の駆動電極、および回転角速度に応じて検出振動片に励振される検出モードの振動を検出する検出振動片上の検出電極を備えており、
回転角速度が０の場合に駆動振動片の質量を変化させることによって駆動モードの振動の共振周波数を変化させたときの漏れ振動信号の変化、および漏れ振動信号の変化の検出離調に対する反比例係数に基づいて、検出離調の測定値を得る測定工程、および
この測定値に基づいて、駆動モードの振動の共振周波数と検出モードの振動の共振周波数との少なくとも一方を調整する調整工程
を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、駆動モードで振動子を自励発振した際に検出手段に現れる漏れ振動信号の大きさを測定する。次いで、複数の駆動振動部における周波数バランスを変化させ、再び駆動モードで振動子を自励発振し、検出手段に現れる漏れ振動信号の大きさを測定する。周波数バランスの変化の前後で、漏れ振動信号の大きさの変化を算出し、漏れ信号の大きさの変化から検出離調を推定できることを見いだした。
【００１０】
振動子の検出離調とは、駆動モードの振動の共振周波数と検出モードの振動の共振周波数との差である。
漏れ振動信号とは、駆動モードの振動を振動子に励振した状態で、振動子に加わる物理量が０のときに、駆動振動部から検出振動部へ振動が機械的に伝搬することによって検出手段から出力される信号成分である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
【００１２】
図１は、漏れ信号の測定系の一例を示すブロック図であり、図２は、離調測定装置を示すブロック図である。
【００１３】
まず、自励発振回路１１を用い、例えば駆動電極５Ａ〜５Ｄを通して振動子に駆動モードの振動を自励発振する。このとき、検出手段７Ａ、７Ｂにに現れる漏れ振動信号の大きさを、信号検出回路１２Ａ、１２Ｂによって測定する。これらの信号をロックインアンプ１４Ａ、１４Ｂで位相検波し、コンピュータ１６に入力して処理する。この際、ロックインアンプ１４Ａ、１４Ｂの基準信号に自励発振回路１１の電流モニタ信号を用いる。次いで、例えば、シャッター１９を開いて、駆動振動部２１Ａ〜２１Ｄの先端に付与された質量調整膜９Ａ〜９Ｄにレーザー１８からのレーザー光線を集光レンズ２０で集光して照射し、ＸＹステージで振動子を移動させて、質量調整膜９Ａ〜９Ｄを所定量トリミングすることによって、複数の駆動振動部における周波数バランスを変化させる。その後、再び駆動モードで振動子を自励発振させる。このとき、駆動モードの振動の共振周波数は、初期値に比べて増加または減少している。この時点で再び検出手段に現れる漏れ振動信号の大きさを測定する。駆動モードの振動の周波数バランスの変化の前後で、漏れ振動信号の大きさの変化を算出する。
【００１４】
ここで、複数の駆動振動部間の周波数バランスを一定量変化させた際の漏れ振動信号変化は、検出離調におおよそ反比例する。従って、予め種々の既知の検出離調の振動子について、複数の駆動振動部間の周波数バランスを一定量変化させた際の漏れ振動信号変化を測定すれば、漏れ信号変化と検出離調との反比例係数を求めておくことができる。
【００１５】
従って、新たな振動子についても、駆動モードの振動の周波数バランスの変化の前後で、漏れ振動信号の大きさの変化を算出すれば、この漏れ振動信号の大きさの変化、および予め求めておいた反比例係数に基づいて、その振動子の検出離調を算出できるのである。
【００１６】
本発明においては、駆動振動部がそれぞれ駆動振動片を備えており、検出振動部が、駆動振動片から分離された検出振動片を備えている。このように駆動振動片と検出振動片とを分離し、独立のものとすることによって、検出離調の算出が一層容易となる。
【００１７】
駆動モードの振動の共振周波数を変化させる方法は、特に限定されず、以下の方法であってよい。
（１）駆動振動部の質量を変化させる。具体的には、駆動振動片の一部をトリミングして重量を減らし、駆動モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。また駆動振動片の上に質量調整膜を設け、この質量調整膜をトリミングして質量を減らし、駆動モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。
（２）駆動振動部の寸法を変化させる。例えば駆動振動片の幅を若干小さくすることによって、駆動モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。
【００１８】
前記質量調整膜の材質としては以下を例示できる。
金、アルミニウムなどの蒸着膜、スパッター膜
金、ニッケルなどのメッキ膜
【００１９】
また、質量調整膜をトリミングする方法としては、以下を例示できる。
（１）YAGレーザー、YVO4レーザー、炭酸ガスレーザーなどのレーザー光照射
（２）アルゴン、窒素などのスパッター
（３）電子ビーム照射
反比例係数は、質量トリミング量当りや寸法調整量当りの係数とすることもできるが、トリミングまたは寸法調整前後の駆動周波数変化当りの係数とする方が、トリミング誤差や調整誤差を含まないので、より好ましい。
【００２０】
更に、本発明においては、検出離調の測定結果に基づいて、駆動モードの振動の共振周波数と検出モードの振動の共振周波数との一方または双方を調整でき、これによって振動子の検出離調を一定範囲内に調整できる。
【００２１】
例えば、検出離調の測定結果が設計値よりも大きい場合には、各駆動振動部の質量を減らし、駆動モードの振動の共振周波数を上昇させることにより、検出離調を小さくすることができる。検出離調が設計値よりも小さい場合には、各検出振動部の質量を減らし、検出モードの振動の共振周波数を上昇させることにより、検出離調を大きくすることができる。この際、駆動振動部、検出振動部の各共振周波数変化は、質量変化におおむね比例する。従って、予め複数の振動子について、駆動振動部、検出振動部をトリミングする前の各共振周波数と、トリミング後の各共振周波数とをインピーダンス掃引測定などで実測しておく。そして、駆動振動部、検出振動部について、それぞれ、トリミング量と共振周波数変化との関係を求め、これらの比例係数を求めておくことができる。これら各比例係数に従って、トリミング量を決定できる。
【００２２】
検出モードの振動の共振周波数を変化させる方法は、特に限定されず、以下の方法であってよい。
（１）検出振動部の質量を変化させる。具体的には、検出振動片の一部をトリミングして質量を減らし、検出モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。また検出振動片の上に質量調整膜を設け、この質量調整膜をトリミングして質量を減らし、検出モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。
（２）検出振動部の寸法を変化させる。例えば検出振動片の幅を若干小さくすることによって、検出モードの振動の共振周波数を上昇させることができる。
【００２３】
検出振動部における質量調整膜の材質や質量調整膜のトリミング方法は、駆動振動部におけるそれと同じである。
【００２４】
駆動振動部における振動バランスを調整するチューニング工程と、検出離調を調整する調整工程とを同一の装置を用いて実施できる。
【００２５】
本発明において測定されるべき物理量は、振動子に印加される角速度である。
【００２６】
好適な実施形態においては、振動子が圧電材料から構成されており、好ましくは圧電性単結晶によって形成されている。圧電性単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ほう酸リチウム、ランガサイトを例示できる。
【００２７】
次に、振動子が複数の検出振動部を有しており、かつ検出時にスプリアスモードの振動が励振される実施形態について述べる。図３は、このような実施形態に係る振動子１を模式的に示す平面図である。
【００２８】
振動子１はＸ−Ｙ面内に形成されている。振動子１においては、基部２の周縁部から一対の支持部３が突出している。各支持部３の先端から、各支持部３に直交する方向に屈曲振動片（駆動振動片）４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが延びている。各駆動振動片には、それぞれ駆動手段である駆動電極５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄが設けられている。各駆動振動片の先端にはそれぞれ幅広部８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄが設けられている。各幅広部上に質量調整膜９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄが形成されている。なお、２１Ａ〜２１Ｄは各駆動振動部である。
【００２９】
また、基部２の周縁部から、一対の細長い周方向検出振動片６Ａ、６Ｂが突出している。各振動片６Ａ、６Ｂには、それぞれ検出手段である検出電極７Ａ、７Ｂが形成されている。各検出振動片６Ａ、６Ｂの各先端には、それぞれ幅広部２３Ａ、２３Ｂが設けられており，各幅広部２３Ａ、２３Ｂには質量調整膜１０Ａ、１０Ｂが形成されている。なお、２２Ａ、２２Ｂは各検出振動部である。
【００３０】
駆動振動片４Ａ〜４Ｄを、それぞれ支持部３への付け根を中心として矢印Ａのように屈曲振動させる。この状態で振動子１をＺ軸の周りに回転させると、各支持部３が、それぞれ基部２への付け根を中心として矢印Ｂのように屈曲振動する。この支持部３の屈曲振動に対応して、各検出振動片６Ａ、６Ｂが、基部２への付け根を中心として矢印Ｃのように屈曲振動する。
【００３１】
例えば振動子１においては、駆動モード、検出モードに加えてスプリアスモードが存在する。このため、前述のように各駆動振動部のバランスを変化させた際、検出電極における漏れ振動信号の大きさの変化は、前述の検出離調に反比例した成分Ｐと、スプリアス離調に反比例した成分Ｓとの和となる。スプリアス離調とは、スプリアス共振周波数と駆動共振周波数との差である。
【００３２】
この実施形態においては、複数の検出振動部からの各漏れ信号成分を数学的に処理することによって、検出離調とスプリアス離調とを算出することが可能となる。例えば、２つの検出振動部２２Ａ、２２Ｂからそれぞれ漏れ振動信号Ｓ１、Ｓ２が得られるものとする。例えば図１、図２の例において、信号検出回路１２Ａから信号Ｓ１が得られ、信号検出回路１２Ｂから信号Ｓ２が得られたものとする。スプリアス離調に反比例した成分Ｓについては、Ｓ１とＳ２とで同極性であり、検出離調に反比例した成分Ｐについては、Ｓ１とＳ２とで逆極性である。従って、Ｓ１とＳ２を足し算することによって、スプリアス離調に反比例した成分Ｓを取り出し、検出離調に反比例した成分Ｐを相殺することができる。また、Ｓ１とＳ２を引き算することによって、検出離調に反比例した成分Ｐを取り出し、スプリアス離調に反比例した成分Ｓを相殺することができる。これによって、スプリアス離調と検出離調とを同時に個別に推定することが出来る。
【００３３】
以下、この実施形態について、図１〜図３の例を参照しながら更に説明する。
【００３４】
具体的には、振動子１を自励発振させながら検出信号を検出する回路に接続した状態で、例えば駆動振動部２１Ａについて、質量調整膜９Ａを少量トリミングする。この際、周波数カウンタ１３を用いて駆動信号の共振周波数を測定する。また、２つの検出信号Ｓ１、Ｓ２の各々について、駆動電流と同相成分の振幅をロックインアンプで測定する。トリミング前後での駆動周波数変化をδfd、検出信号Ｓ１、Ｓ２の振幅の変化をδS1、δS2とする。δS1、δS2は、検出離調Δfp、スプリアス離調Δfsとおよそ次式の関係にある。
δS1＝ A ×δfd／Δfp ＋Ｂ×δfd／Δfs
δS2＝ −A ×δfd／Δfp ＋Ｂ×δfd／Δfs
【００３５】
この式から、係数Ａ、Ｂは、次式によって求めることが出来る。
A = ( δS1−δS2) ×Δfp ／（２×δfd）
B = ( δS1＋δS2) ×Δfs ／（２×δfd）
【００３６】
よって、同一設計の複数の振動子について、検出離調、スプリアス離調と、トリミング時の信号変化を測定し、係数Ａ、Ｂの平均値を求めておくことができる。そして、これらの係数Ａ、Ｂを用いて、検出離調Δfp、スプリアス離調Δfsは、トリミング時の信号変化から次式によって推定できる。
Δfp =２× A×δfd／ (δS1−δS2)
Δfs =２× B×δfd／ (δS1＋δS2)
【００３７】
なお、図３の振動子においては、係数ＡとＢは、４つの駆動振動部２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄのうちのいずれをトリミングするかによって符号が異なる。従って、トリミングした駆動振動片の種類に応じて、符号を付け替えて集計平均することができる。駆動振動部２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄをトリミングした際の係数を各々(A1,B1)、(A2,B2)、(A3,B3)、(A4,B4)とすると、各係数は次式の関係にある。
A1 =−A2 = −A3 = A4
B1 = B2 = −B3 = −B4
【００３８】
本実施形態において、成分Ｓと成分Ｐとを精度良く分離するには、スプリアス離調の絶対値が検出離調の絶対値の０.5〜４倍となるように振動子を設計しておくことが好ましい。あるいは、スプリアス離調の絶対値が検出離調の絶対値の１０倍以上となるように振動子を設計しておくと、実質的に漏れ振動信号は成分Ｐのみになり、前記分離計算が不要になる。
【００３９】
【実施例】
（実施例１：検出離調およびスプリアス離調の測定）
図３に示すような形態の振動子１を７個製造した。各振動子１について、駆動モード、検出モード、スプリアスモード各々の共振周波数をインピーダンスアナライザで測定し、検出離調とスプリアス離調を求めた。その後、駆動振動部２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄの質量調整膜９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄのうちの１箇所をレーザートリミングし、トリミング前後の駆動周波数変化と漏れ信号変化を測定した。これらの測定値から前述のように係数Ａ、Ｂを算出し、係数Ａ、Ｂの平均値を求めた。結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
次に、別の振動子１を５個製造した。各振動子１について、上で求めた係数Ａ、Ｂを用いて検出離調とスプリアス離調を推定し、インピーダンスアナライザの測定値と比較した。結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】

【００４３】
本発明の方法で推定した検出離調とスプリアス離調とがインピーダンスアナライザでの各実測値に近似しており、良好に推定できていることが判る。
【００４４】
（実施例２：振動子の検出離調の調整）
図３に示す振動子１を５個準備した。各振動子について、検出振動片６Ａ、６Ｂの先端の調整膜１０Ａ、１０Ｂを一定量レーザートリミングした際の検出離調変化を測定し、平均して、トリミング長さ当りの検出離調変化を求めた。この結果、検出離調の変化は、トリミング1mm 当り9.9 Hzであった。この結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】

【００４６】
また、別に振動子１を５個準備し、各振動子について、駆動振動片先端の重量調整膜９Ａ〜９Ｄを一定量トリミングした際の検出離調変化を同様にして求めた。この結果、検出離調変化は、トリミング1mm 当り−23Hzであった。結果を表４に示す。
【００４７】
【表４】

【００４８】
次に、別に振動子１を５個準備した。これらの振動子５個について、実施例１と同様の方法で検出離調を推定した。そして、検出離調の推定値が500Hz より小さい振動子については、検出振動片先端の質量調整膜１０Ａ、１０Ｂを（検出離調推定値−500Hz)÷ 9.9Hz× 1mmだけトリミングした。各調整膜１０Ａと１０Ｂとについて均等にトリミングした。また、検出離調の推定値が500Hzより大きいと推定された振動子については、駆動振動片先端の質量調整膜を（検出離調推定値−500Hz)÷ 23Hz × 1mmだけトリミングした。各調整膜９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄについて均等にトリミングした。
【００４９】
その後にインピーダンスアナライザで駆動モード、検出モード、スプリアスモード各々の共振周波数を測定し、その測定値の差から検出離調とスプリアス離調を算出した。この結果いずれの振動子の検出離調も、目標値とした500Hz に近い値になっていることが確認できた。結果を表５に示す。
【００５０】
【表５】

【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、駆動共振周波数と検出共振周波数を個別に測定することなく、短時間で検出離調を測定する方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における漏れ信号の測定系を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における離調測定装置を模式的に示すブロック図である。
【図３】振動子１を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１振動子２基部４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ
駆動振動片５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ駆動電極６Ａ、６Ｂ検出振動片７Ａ、７Ｂ検出電極９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ駆動振動部における質量調整膜１０Ａ、１０Ｂ検出振動部における質量調整膜１１自励発振回路１２Ａ、１２Ｂ信号検出回路
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ駆動振動部２２Ａ、２２Ｂ検出振動部

Claims

振動子の検出離調を測定する方法であって、
前記振動子が、基部、この基部の周縁部から突出する一対の支持部、前記各支持部から各支持部に直交する方向に延びる駆動振動片、前記基部の周縁部から突出する一対の検出振動片、前記駆動振動片に駆動モードの振動を励振する前記駆動振動片上の駆動電極、および回転角速度に応じて前記検出振動片に励振される検出モードの振動を検出する前記検出振動片上の検出電極を備えており、
前記回転角速度が０の場合に前記駆動振動片の質量を変化させることによって前記駆動モードの振動の共振周波数を変化させたときの漏れ振動信号の変化、および前記漏れ振動信号の変化の検出離調に対する反比例係数に基づいて、前記検出離調を算出することを特徴とする、振動子の検出離調の測定方法。
前記駆動振動片の少なくとも一部をトリミングすることによって前記駆動モードの振動の共振周波数を変化させることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記駆動振動片に、前記駆動振動片の質量を調整するための調整膜が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
前記振動子にスプリアスモードの振動が励振される場合に、前記駆動モードの振動の共振周波数を変化させたときの漏れ振動信号の変化に基づいてスプリアス離調を算出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
振動子の検出離調を調整する方法であって、
前記振動子が、基部、この基部の周縁部から突出する一対の支持部、前記各支持部から各支持部に直交する方向に延びる駆動振動片、前記基部の周縁部から突出する一対の検出振動片、前記駆動振動片に駆動モードの振動を励振する前記駆動振動片上の駆動電極、および回転角速度に応じて前記検出振動片に励振される検出モードの振動を検出する前記検出振動片上の検出電極を備えており、
前記回転角速度が０の場合に前記駆動振動片の質量を変化させることによって前記駆動モードの振動の共振周波数を変化させたときの漏れ振動信号の変化、および前記漏れ振動信号の変化の検出離調に対する反比例係数に基づいて、前記検出離調の測定値を得る測定工程、および
この測定値に基づいて、前記駆動モードの振動の共振周波数と前記検出モードの振動の共振周波数との少なくとも一方を調整する調整工程
を有することを特徴とする、振動子の検出離調の調整方法。
前記駆動振動片の少なくとも一部をトリミングすることによって前記駆動モードの振動の共振周波数を変化させることを特徴とする、請求項５記載の方法。
前記駆動振動片に、前記駆動振動片の質量を調整するための調整膜が設けられていることを特徴とする、請求項５または６記載の方法。
前記振動子にスプリアスモードの振動が励振される場合に、前記駆動モードの振動の共振周波数を変化させたときの漏れ振動信号の変化に基づいてスプリアス離調を算出することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一つの請求項に記載の方法。