JP4421689B2

JP4421689B2 - Method for inspecting vibrator characteristics of angular velocity sensor

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Publication number: JP4421689B2
Application number: JP24370198A
Authority: JP
Inventors: 件水谷; 知幸神田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: JP2000074674A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車分野では車両制御・ナビゲーション等、家電分野ではビデオの手ぶれ防止等に用いられる振動子を有する角速度センサの振動子特性検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、角速度センサの振動子特性の検査は、振動子を組付けた状態、つまり実機状態にて行なわれていた。その一例を図８に示す。例えば一対のアーム４、５を有する音叉形状の振動子１が、支持部材（サポータ）３を介して、制御回路と接続された配線部材Ｔを有する基板２に固定されている。
【０００３】
振動子１が固定された基板２は、シェル（図８では切欠され一部のみ示す）１０１に覆われ、センサ部を構成する。このセンサ部は、例えば柱状のゴム等からなる防振部材１０２にネジ１０３により締結され、この防振部材１０２を介して、車両等の被測定体への取り付け用のハウジング１０４に固定されている。
そして、振動子１に設けられた電極等からなる振動子１の駆動及び検出手段（図８中、斜線ハッチング部分）は、ワイヤボンディング等による信号入出力用ワイヤ（リード線）Ｗにより、上記配線部材Ｔを介してセンサの制御回路に電気的に接続される。
【０００４】
このような実装状態で、角速度センサの振動子特性が検査される。振動子１は、通常、上記制御回路から上記駆動及び検出手段を介して振動子１に信号を入出力することにより、アーム４、５を図８のｙ軸方向に励振させる即ち駆動振動を行い、この駆動振動方向に直交する図８のｘ軸方向のアーム４、５の振動を検出振動として検出し、この検出振動の状態から所定軸（図８のｚ軸）回りの角速度を検出する。
【０００５】
ここで、検出振動は角速度に基づくもので、駆動振動中に振動子１に角速度が加わったときに発生するコリオリ力による駆動振動と直角方向へのアーム４、５の振動である。そして、振動子１から検出振動に対応した大きさの電圧が発生し、この電圧を角速度信号として検出する。よって、角速度が０のときに、振動子１に検出振動の方向に不要な振動が発生してしまうと、オフセット電圧として検出誤差を生じる。
【０００６】
また、このセンサに角速度が入力されていない状態で発生するオフセット電圧は、周囲温度が変化したときに出力変化する。この出力変化はオフセット電圧温度ドリフトといわれ、角速度換算した値、即ち、出力電圧の変化を角速度に対するセンサ感度で、除したもの（すなわち、単位は、°／Ｓ（秒）となる）で示される。オフセット電圧温度ドリフトは、センサの誤出力となるので小さい方が、望ましい。
【０００７】
よって、振動子特性としては、一般に、このようなオフセット電圧、オフセット電圧温度ドリフト、また、角速度を出力電圧の感度、更にはこの感度の温度特性等が検査されることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来においては、実機の状態で振動子特性を検査していたため、上記信号入出力用ワイヤ（リード線）Ｗの組み付け工程が必要となる。そのため、検査の結果、振動子特性に不具合があった場合等、わざわざ振動子１を実装状態からとりはずさなければならない等、生産の効率性が良くないという問題点があった。
【０００９】
そこで本発明は上記点に鑑みて、振動子を有する角速度センサにおいて、振動子単体で実機と同様に、振動子特性の検査を行なえるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明においては、振動子（１）に設けられた駆動手段（１１〜１４）及び検出手段（１７〜２２）に、検査時には駆動振動の振動周波数よりも２.２５ｋＨｚ以上高い共振周波数を有する検査用プローブ（Ｐ１〜Ｐ７）を接触させ、この検査用プローブ（Ｐ１〜Ｐ７）を介して、振動子（１）における駆動または検出振動の各振動状態を電気信号として測定することにより、振動子特性を検査することを特徴としている。
【００１１】
それによって、振動子（１）をリード線（Ｗ）で接続することなく、センサの振動子特性を振動子単体の状態で検査できる。また、本発明者等の検討によれば、検査時において検査用プローブ（Ｐ１〜Ｐ７）の共振周波数が駆動振動の振動周波数以下の場合、検査用プローブ（Ｐ１〜Ｐ７）が振動して接触、非接触する、いわばハンチングを起こす。
【００１２】
そのため、本発明によれば、検査時の上記共振周波数を駆動振動の振動周波数よりも２．２５ｋＨｚ以上高く設定し、ハンチングを防止することで、検査用プローブ（Ｐ１〜Ｐ７）の良好な接触を維持でき、実機に近い状態で、精度良く振動子特性を検査できる。よって、リード線（Ｗ）の組み付け工程の必要無く、振動子単体で実機と同様に、振動子特性の検査を行なうことができる。
【００１３】
また、請求項２ないし請求項６記載の発明は、振動子特性の検査をより安定して行なうべく、検査条件等について検討した結果に基づきなされたものである。
即ち、請求項２記載の発明では、検査用プローブ（Ｐ１〜Ｐ７）から駆動手段及び検出手段（１１〜１４、１７〜２２）を介して振動子（１）に加わる応力を、実機においてリード線（Ｗ）により加わる応力の１００倍以下とすることを特徴としている。
【００１４】
これは、検査用プローブ（Ｐ１〜Ｐ７）からの応力が、リード線（Ｗ）による応力の１００倍以上であると、検査可能ではあるが、振動子（１）の振動が抑制され、正常な振動子特性を検査するには好ましくないためである。
ここで、検査用プローブ（Ｐ１〜Ｐ７）の材質としては、請求項３記載の発明のように、銅、アルミニウム、金、タングステンのいずれかよりなるものを用いることができる。
【００１５】
また、請求項４記載の発明では、振動子（１）を検査台（Ｓ１）に固定するとともに、振動子（１）の固定部分をＧＮＤ電圧に接地して振動子特性を検査することを特徴としており、振動子特性への外部ノイズの影響を低減でき、精度良く振動子特性の検査が行なえる。
また、請求項５記載の発明は、振動子（１）が、くびれ部（３ａ）を有する支持部（３）によって支持されている角速度センサに関してなされたものである。ここで、支持部（３）がくびれ部（３ａ）を有するのは、振動子（１）の振動を絶縁するためである。そして、このような構成においては、振動子（１）の振動により、支持部（３）のくびれ部（３ａ）にてねじれ振動が起こる。
【００１６】
ここで、本発明によれば、上記支持部（３）を介して振動子（１）を検査台（Ｓ１）に固定するときに、支持部（３）においてくびれ部（３ａ）よりも検査台（Ｓ１）側の部位にて固定するようにしているから、くびれ部（３ａ）が固定されない。従って、上記ねじれ振動の抑制による振動子の振動抑制を防止できる。また、請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の発明において、支持部（３）の検査台（Ｓ１）への固定を締結により行うようにし、この固定強度を１ｋｇ・ｃｍ以上とすることを特徴としており、確実な固定により振動子の振動状態を安定させ、より精度良く振動子特性を検査することができる。
【００１７】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を、音叉型振動子をくびれ部を有する支持部で支持した形の角速度センサの振動子特性検査に適用したものとして説明する。図１に、本実施形態に係る角速度センサ１００におけるセンサ部構成の斜視図を示す。この角速度センサ１００は、例えば、自動車の姿勢制御やカーナビゲーションシステム等に利用される角速度センサとして使用される。
【００１９】
角速度センサ１００のセンサ部は、振動子１と、振動子１を支持するための支持部（サポータ）３と、振動子１および支持部３が取り付けられる基板２とから構成されている。
振動子１は、一対の四角柱状のアーム（振動部）４、５と、各アーム４、５の一端を連結する連結部６とを有する音叉形状に形成された圧電体（例えば、ＰＺＴ等）から形成されている。
【００２０】
そして、振動子１は、連結部６にて例えばエポキシ系の接着剤で支持部３に接合されており、この支持部３によって支持されている。支持部３は、例えば４２Ｎ（４２アロイ）の様な金属粉を焼結させたものから成り、くびれ部３ａを有して略エ字型を呈している。
支持部３は、基板２に溶接などにより接合されている。また、基板２に形成された凹部２ａにより、振動子１は基板２と非接触の状態で略平行に浮遊した形となっている。
【００２１】
ここで、両アーム４、５と連結部６とが同一平面を形成し対向する略コ字形状の一対の面のうち、基板２とは反対側の面をＸ１面、Ｘ１面と対向する他方の面をＸ２面（図２参照）とする。また、振動子１の外周に位置し且つアーム４、５の配列方向であるｙ軸と略直交する面のうち、アーム４側をＹ１面、アーム５側をＹ２面（図２参照）とする。
【００２２】
また、Ｘ１面およびＸ２面と略直交する方向をｘ軸として、上記ｙ軸およびアーム４、５の長手方向と平行なｚ軸とともに、図１に示すｘｙｚ直交座標系が構成される。以下、本実施形態において、このｘｙｚ直交座標を用いて説明する。また、以下、ｘ軸方向というのは、ｘ軸と平行な方向であることを意味し、ｙ軸、ｚ軸方向についても同様である。そして、例えば、車両等にはｚ軸方向を上下として搭載される。
【００２３】
振動子１には、駆動および角速度検出のための複数の電極が形成されているが、次に、その電極構成について説明する。図２は、振動子１の外周面上に形成された各電極１１〜２７の構成を、振動子１の前後、左右から展開して見た説明図である。（ａ）はＸ１面、（ｂ）はＸ２面、（ｃ）はＹ１面、（ｄ）はＹ２面上の電極構成を示すものである。
【００２４】
Ｘ１面には、振動子１を駆動するための駆動電極１１、１２、駆動状態をモニタし自励発振（自励振動）させるため帰還用のモニタ電極１３、１４、基準電位に接地された仮ＧＮＤ電極１５、１６と、角速度出力を取り出す為のパット電極１７、１８が形成されている。
一方、Ｙ１、Ｙ２面には、コリオリ力によって発生する電荷を取出し、振動子１に入力された角速度を検出するための角速度検出電極１９、２０、角速度検出電極１９、２０から出力をパット電極１７、１８に引き出す為の引出し電極２１、２２及び、Ｘ２面に形成され基準電位に接地された共通電極２３とＸ１面の仮ＧＮＤ電極１５、１６とを短絡する為の仮ＧＮＤ短絡電極２４、２５が形成されている。
【００２５】
ここで駆動及びモニタの各電極１１〜１４が駆動手段、パット、角速度検出及び引出しの各電極１７〜２２が検出手段に相当する。また、仮ＧＮＤ、共通及び仮ＧＮＤ短絡の各電極１５、１６、２３〜２５は基準電位に接地される。
なお、角速度検出電極２１は、アーム４においてＹ１面と対向する面、角速度検出電極２２は、アーム５においてＹ２面と対向する面にあってもよい。また、検出電極は、Ｙ１面またはＹ２面のどちらか一方のみにあってもよい。一方のみの場合、検出電極がある側のアームの検知振動から角速度検出がなされる。
【００２６】
また、振動子１は、図１の白抜き矢印に示すように、Ｘ１、Ｘ２面に直交するｘ軸方向に分極処理されている。
振動子１とセンサに備えられた図示しない駆動・検出回路（制御手段）との信号の入出力は、例えば、基板２上に絶縁、構成されたターミナル（配線部材）Ｔと振動子１上の各電極を、ワイヤボンディングやはんだ付け等により接続されたワイヤ（リード線）Ｗにて結線することにより行う。
【００２７】
このように、角速度センサ１００のセンサ部は、振動子１が支持部３を介して基板２に固定され、且つ上記ワイヤＷによる配線が行なわれた形態として構成される。そして、このセンサ部は、上記図８に示したのと同様に、防振部材（図示せず）を介して、車両等の被測定体への取り付けるためのハウジング（図示せず）に組付けられ、角速度センサ１００として構成される。
【００２８】
かかる構成を有する角速度センサ１００は、上記駆動・検出回路により、次のように作動する。
まず、Ｘ１面、Ｘ２面に形成された駆動電極１１と共通電極２３間、駆動電極１２と共通電極２３間に、互い１８０°反転した交流電圧（駆動電圧）を印加することにより、振動子１をｙ軸方向に共振（駆動振動）させる。このとき、モニタ電極１３、１４からの出力（電流）を電圧に変換してモニタ信号とする。温度が変わってもモニタ信号が一定となる様に、駆動電圧を制御して自励制御発振を行う。
【００２９】
この駆動振動のもと、ｚ軸まわりに角速度Ωｚが入力されたとき発生するコリオリ力により、振動子１はｘ軸方向に角速度Ωｚに比例した振幅の振動（検出振動）を発生する。このとき、Ｙ１面、Ｙ２面に形成された角速度検出電極１９、２０から角速度に比例した出力（電流）が発生し、これをパット電極１７、１８を介して上記回路に出力される。
【００３０】
この出力は、上記回路にて、次のように処理される。各角速度検出電極１９、２０からの出力を電圧に変換し、差動増幅する。差動増幅された電圧を、バンドパスフィルタ等を通し、振動子の共振周波数以外の成分を取り除き、モニタ信号を基準に同期検波処理を行う。次に、ローパスフィルタ等を通し、直流電圧として角速度検出信号を出力する。以上が、角速度検出の基本動作である。
【００３１】
かかる構成及び作動を有する角速度センサ１００の振動子特性の検査方法について、図３及び図４を参照して述べる。ここで、図３は本実施形態に係る検査装置の要部を示す説明図、図４は検査の評価系構成を示すブロック図である。
従来は、上記図８のようにセンサ部が上記ハウジングに組付けられた状態で、振動子特性を検査していた。ここでいう振動子特性とは、上述した様なオフセット電圧、オフセット電圧温度ドリフト、感度、感度温度特性などが含まれる。
【００３２】
本実施形態では、図３に示す様に、特性検査を行う。つまり、図３に示す各プローブ（検査用プローブ）Ｐ１〜Ｐ７を、振動子１のＸ１面上の各電極に接触させることにより信号の入出力を行う。なお、本例では、振動子を駆動、検出する為に必要なプローブ数は７本だが、振動子構造や電極パターンの違いにより本数は異なる。
【００３３】
２本の検知用プローブＰ１、Ｐ２は、各々パット電極１７、１８に接触し、仮ＧＮＤ用プローブＰ３は、仮ＧＮＤ電極１５、１６のどちらか一方（本例では仮ＧＮＤ電極１６）に接触する。また、２本のモニタ用プローブＰ４、Ｐ５は、各々モニタ電極１３、１４に接触し、２本の駆動用プローブＰ６、Ｐ７は、各々駆動電極１１、１２に接触する。
【００３４】
各プローブＰ１〜Ｐ７は、各々金属棒（図３中、７本）Ｍ１に接続され、各金属棒Ｍ１は、上下・左右に可変可能なＸＹＺステージ（検査台）Ｓ１に固定されている。各金属棒Ｍ１と検査用駆動回路５０は、リード線（図３中、７本）Ｒ１により接続を行う。また、振動子１は、振動子１に接合された支持部３において、ＸＹＺステージＳ１の固定台Ｓ２にネジＮ１にて締結固定される。
【００３５】
以上の構成により振動子１と検査用駆動回路５０との信号伝達が可能になり、検査用駆動回路５０から、図４に示す評価系を構成することにより振動子特性を評価することが可能となる。よって、振動子１をリード線（ワイヤＷ）で接続することなく、振動子特性を振動子単体の状態で検査できる。
更に、振動子特性において、オフセット電圧温度ドリフトの評価は振動子１を恒温槽に入れることにより可能であり、感度（角速度出力）評価は振動子１を回転テーブルに乗せることにより可能であり、感度の温度特性評価は振動子１を回転テーブルに乗せ、それを恒温槽に入れることにより可能となる。
【００３６】
次に、振動子特性を検査するための評価系について、オフセット電圧の検査を例にとって述べる。仮ＧＮＤ用プローブＰ３は、検査用駆動回路５０を介して接地され基準電位となっている。また、ネジＮ１で固定された支持部３はＸＹＺステージＳ１の固定台Ｓ２を介してＧＮＤ電位に接地されている。ここにおいて、検査用駆動回路５０は、基本的に上記振動子１における自励制御発振を行う。
【００３７】
即ち、駆動用プローブＰ６、Ｐ７を介して駆動電極１１、１２から上記駆動電圧（図４中、Ｖｄ）を印加し、振動子１を上記駆動振動させる。モニタ電極１３、１４からモニタ用プローブＰ４、Ｐ５を介して上記モニタ信号（図４中、ＶＲ）をモニターし、温度が変わってもモニタ信号ＶＲが一定となる様に自励制御発振を行う。
【００３８】
また、この自励制御発振による駆動振動中に、振動子１のノイズ信号を検査すべく、検査用駆動回路５０は、パット電極１７、１８及び検知用プローブＰ１、Ｐ２を介して角速度検出電極１９、２０からの出力（電流）を電圧に変換する。ここで、角速度検出電極１９（パット電極１７）からの電圧を第１Ｖｓ信号、角速度検出電極２０（パット電極１８）からの電圧を第２Ｖｓ信号とする。そして、両電圧を差動増幅し合成Ｖｓ信号とするようになっている。
【００３９】
なお、図４中、５１は、検査用駆動回路５０を作動させる為の電源である。
また、５２は検査用駆動回路５０から発振される駆動電圧Ｖｄに異常がないか確認するためのマルチメータである。例えば、駆動用プローブＰ６、Ｐ７もしくはモニタ用プローブＰ４、Ｐ５のうち、いずれか１本が接触していなかった場合に、通常の駆動電圧値であると振動子１のモニタ信号ＶＲは半分となる。
【００４０】
そこで、検査用駆動回路５０が、モニタ信号ＶＲを一定にすべく、駆動電圧Ｖｄを約２倍とする様に制御する。そのため、駆動電圧検査用のマルチメータ５２をモニタすることで、駆動電圧Ｖｄが約２倍となったとき、駆動用プローブＰ６、Ｐ７・モニタ用プローブＰ４、Ｐ５の接触不良が判別できる。
また、５３は、第１及び第２Ｖｓ信号を検出する検知用プローブＰ１、Ｐ２が、各パット電極１７、１８に接触しているか確認をするためのオシロスコープである。
【００４１】
両検知用プローブＰ１、Ｐ２が正常に接触していないと、オシロスコープ５３に出力される第１、第２Ｖｓ信号の波形にノイズがのったり、接触状態が悪いと各Ｖｓ信号の波形が歪む為、接触状態の確認を行なうことができる。
また、オシロスコープ５３は、モニタ信号ＶＲ及び合成Ｖｓ信号（例えば、第２Ｖｓ信号から第１Ｖｓ信号を引いたもの）をモニタする。
【００４２】
ここにおいて、モニタ信号ＶＲをモニタするのは、検査用駆動回路５０が正常に作動しているかどうか、つまりモニタ信号ＶＲが一定に制御されているかどうかの確認を行なうためである。また、合成Ｖｓ信号をモニタするのは、検査用駆動回路５０において正常に差動増幅が行われているか否かの確認を行なうためである。
【００４３】
なお、マルチメータ５２でモニタしている駆動電圧Ｖｄも、このオシロスコープ５３でモニタしても問題無い。
そして、５５は、ロックインアンプ５４により同期検波した後のオフセット電圧をモニタするためのオフセット電圧検査用のマルチメータである。
以上の評価系にて検査されるオフセット電圧の検査手順を述べる。まず、オシロスコープ５３で、第１及び第２Ｖｓ信号、合成Ｖｓ信号、及びモニタ信号ＶＲが正常に出力されているか確認する。次に、合成Ｖｓ信号及びモニタ信号ＶＲをロックインアンプ５４に入力し、同期検波後のオフセット電圧を、マルチメータ５５で検査する。
【００４４】
こうしてオフセット電圧特性が検査される。なお、オフセット電圧温度ドリフトの評価は振動子１の周囲温度を変化させて、上記同様にオフセット電圧を測定することで検査できる。また、感度（角速度出力）評価は振動子１を回転テーブルに乗せ、回転テーブルを回転させて振動子１に角速度を入力させ、オフセット電圧と同様に検査を行うことで感度を検査できる。また、感度の温度特性評価は、感度評価において振動子１の周囲温度を変化させることで検査できる。
【００４５】
ところで、本発明者等は、上記振動子特性の検査において、検査をより安定して行なうべく、検査条件等について検討した。その検討の結果、精度良く特性評価するため、重要となる要因が、（１）プローブによる振動子への応力、（２）プローブの共振周波数、（３）支持部（サポータ）の固定方法、の３つであることを見いだした。
【００４６】
上記▲１▼、▲２▼の要因は、振動を行う角速度センサにおいて、センサの振動部（振動子）から信号の入出力を行っている角速度センサ全て適用される。まず、要因▲１▼について述べる。
上記振動特性の検査において、各プローブＰ１〜Ｐ７により振動子１に応力がかかり過ぎると、振動子１の振動状態が変化する為、精度良く特性を測定できない問題が発生する。
【００４７】
そこで、プローブ（例えば検知用プローブＰ１）による振動子１にかかる応力（以下、プローブ荷重という）と上記オフセット電圧との関係を検討し、好ましいプローブ荷重の範囲を求めた。検討結果の一例を図５に示す。
プローブ荷重の水準としては、▲１▼２．７６×１０^-4（Ｎ）、▲２▼２７．４×１０^-4（Ｎ）、▲３▼２２２×１０^-4（Ｎ）の３水準とし、プローブ荷重はプローブ材質、形状、たわみ量から計算で求めた。
【００４８】
また、比較のために、ハウジングに組付けられた実装状態、つまり実機（完成品）の角速度センサ１００についても調べた。実機では、ワイヤＷはアルミニウムのワイヤボンディングであり、ワイヤＷによって振動子１にかかる応力は、０．１２２×１０^-4（Ｎ）であった。
これら実機及び上記３水準の各プローブ構成につき、プローブ荷重（×１０^-4Ｎ）とオフセット電圧（°／ｓ）との関係を調べた結果が、図５である。
【００４９】
図５は、３個の振動子１即ちＡ１、Ａ２、Ａ３を用い、各プローブにおけるオフセット電圧の値から、実機におけるオフセット電圧の値を差し引いた値をオフセット電圧変化（°／ｓ）とし、このオフセット電圧変化とプローブ荷重との関係を示したものである。
図５から分かるように、プローブによる応力（プローブ荷重）が大きいほど、オフセット電圧変化即ち実機との誤差が大きくなり、荷重２２２×１０^-4（Ｎ）では振動子１の振動を抑制する為、発振停止する。そこでプローブにより振動子１にかかる応力の低減が必要となる。荷重２．７６×１０^-4（Ｎ）のプローブでは、実機との誤差は０に近く実用的に問題ないが、荷重φ２７．４×１０^-4（Ｎ）のプローブでは誤差が大きくなっている。従って、図５に基づけば、プローブ荷重を２．７６（×１０^-4Ｎ）以下とすることでオフセット電圧の測定誤差を減少できる。
【００５０】
ここで、応力の理想値は実際の振動子から信号を取り出すワイヤ（リード線）Ｗにより発生する応力と同じ値が最良となるが、本発明者等の検討によれば、実用上はワイヤＷにより加わる応力の１００倍以下とすることが好ましい。また、この応力は、プローブの材質、線径、長さ、たわみ量等によって決まるが、実用上の下限としては、ワイヤＷにより加わる応力の１／１００倍以上である。
【００５１】
次に、上記要因（２）、即ち検査時におけるプローブの共振周波数についての検討結果の一例を示す。要因に関しては、検知用プローブＰ１、Ｐ２の共振周波数と、オフセット電圧の基本波形となる合成Ｖｓ信号との関係を図６に示す。プローブＰ１、Ｐ２は、共振周波数が６７０Ｈｚのもの、及び、共振周波数が５．５ｋＨｚのものを用意した。
【００５２】
つまり、プローブＰ１、Ｐ２として、共振周波数が駆動周波数よりも低いものと高いものとを用意した。ここで、振動子１の駆動振動の周波数（駆動周波数ｆＤ）は、３．２５ｋＨｚ±１５０Ｈｚである。図６は、モニタ信号ＶＲ及び合成Ｖｓ信号のオシロスコープ５３による波形を示し、（ａ）は共振周波数が６７０Ｈｚのプローブ、（ｂ）は共振周波数が５．５ｋＨｚのプローブを示す。
【００５３】
図６（ａ）に示す様に、振動子１の駆動周波数よりプローブＰ１、Ｐ２の共振周波数が低い場合、角速度検出電極１９、２０及びパット電極１７、１８から出力される合成Ｖｓ信号はハンチングし、波形にノイズがのり、精度良く測定することが不可能な状態となる。しかし、図６（ｂ）に示す様に、共振周波数が、振動子の駆動周波数より高い場合、合成Ｖｓ信号はハンチングせず、測定可能となる。
【００５４】
これは、プローブＰ１、Ｐ２の共振周波数が、振動子１の駆動周波数より低い場合、振動子１の駆動振動時に、プローブＰ１、Ｐ２と振動子上のパット電極１７、１８との間に非接触状態が発生することにより信号がハンチングするものと推定される。これらのことから、プローブＰ１、Ｐ２だけでなく、各プローブＰ１〜Ｐ７全ての共振周波数が、振動子１の駆動周波数よりも２．２５ｋＨｚ以上高いことが好ましいといえる。
【００５５】
また、上記要因▲３▼、即ち支持部３の固定方法については、くびれ部３ａで固定せずに、くびれ部３ａよりも検査台であるＸＹＺステージＳ１側の部位にて固定することが好ましい。ここで、支持部３がくびれ部３ａを有するのは、振動子１の振動を絶縁するためである。そして、このような構成においては、振動子１の振動により、支持部３のくびれ部３ａにてねじれ振動が起こる。
【００５６】
ここで、支持部３を介して振動子１をＸＹＺステージＳ１に固定するときに、くびれ部３ａで固定してしまうと、上記ねじれ振動が抑制され、それに伴って振動子１の振動も抑制されてしまうため、正確なオフセット電圧、及び感度測定ができなくなる。
そこで、支持部３の固定において、支持部３においてくびれ部３ａよりもＸＹＺステージＳ１側の部位にて固定することにより、くびれ部３ａが固定されず、振動子１の振動抑制を行なわないため、正確なオフセット電圧、感度測定が可能となる。
【００５７】
また、本実施形態では、支持部３の固定を締結部材であるネジＮ１により行なっている。本発明者等は、このネジＮ１による固定強度についても検討を行い、好ましい固定強度を求めた。
検討の一例を図７に示す。ネジ（本例ではＭ３）Ｎ１による固定強度を、２ｋｇｆ・ｃｍ、４ｋｇｆ・ｃｍ、６ｋｇｆ・ｃｍの３水準とした。また、上記実機も比較のために検討した。
【００５８】
図７に、５個の振動子１即ちＢ１〜Ｂ５について、各固定強度におけるオフセット電圧の値から、実機におけるオフセット電圧の値を差し引いた値をオフセット電圧差（°／ｓ）とし、このオフセット電圧差と固定強度との関係を示したものである。
図７から分かるように、各固定強度において、オフセット電圧差即ち実機とのオフセット電圧の誤差は、５０°／ｓ以内であり、実用上問題無い誤差とできる。これらの検討に基づき、支持部３の固定は、くびれ部３ａより下部（検査台Ｓ１側）で行い、締結により固定する場合の固定強度は、１ｋｇ・ｃｍ以上のトルクで良いことがわかった。なお、この値より小さい固定強度でも、特性評価は可能であるが、振動子の固定が不安定となり振動も不安定となってしまうため、実機との誤差が大きくなるので、好ましくない。
【００５９】
以上、上記各要因▲１▼〜▲３▼について、精度良く振動子特性を検査する為の条件をまとめておく。
要因▲１▼については、検査用プローブＰ１〜Ｐ７の応力は、実際に使用されるリード線又はワイヤボンディングによりかかる実際の応力もしくはその近辺にすることが必要となる。本発明者等の検討によれば、上記実際の応力の１／１００〜１００倍であることが実用上好ましい。なお、測定精度は悪化するが、本例のように圧電体で振動子１を構成したバルク振動子の場合は、ワイヤボンディングの応力の５００倍程度まで評価可能である。
【００６０】
要因（２）については、検査時において検査用プローブＰ１〜Ｐ７の共振周波数を振動子１の駆動周波数よりも２．２５ｋＨｚ以上高くする。なお、本要因（２）において共振周波数の上限は無いが、共振周波数を上げるためにはプローブの剛性を上げる必要があり、それによりプローブによる振動子への応力が大きくなる為、要因（１）との関係から限界がある。要因（３）については、支持部３のくびれ部３ａよりも検査台（本例ではＸＹＺステージＳ１）側で行い、その固定強度は、１ｋｇ・ｃｍ以上のトルクで固定する。なお、上限は無いが、支持部３に傷が付かない程度が好ましい。
【００６１】
なお、オフセット電圧温度ドリフト、感度、感度の温度特性も、基本的にはオフセット電圧の検査手順に準じて行なわれる。従って、上記の検査条件は、本実施形態における振動子特性の検査一般に適用される。
また、各プローブＰ１〜Ｐ７から検査用駆動回路５０までの配線に工夫をすることも必要である。
【００６２】
即ち、振動子１に入出力される信号には、大小あり、駆動電圧Ｖｄ（駆動信号）及びモニタ信号ＶＲ（参照用信号）は大きく、それに比べて角速度検出電極１９、２０からの検知信号（オフセット電圧含む）は小となっている。従って、プローブから駆動回路５０までの距離が長すぎたり、検知信号と駆動・参照用信号との配線距離の条件によっては、駆動・参照信号のノイズが検知信号に乗り、精度良く測定できない場合がある。
【００６３】
ところで、本実施形態によれば、振動子１をリード線（本例ではワイヤＷ）で接続することなく、センサの振動子特性を振動子単体の状態で検査できる。また、本実施形態によれば、検査時において検査用プローブＰ１〜Ｐ７の共振周波数を駆動振動の振動周波数よりも２．２５ｋＨｚ以上高く設定し、ハンチングを防止することで、検査用プローブＰ１〜Ｐ７の良好な接触を維持でき、実機に近い状態で、精度良く振動子特性を検査できる。よって、本実施形態によれば、リード線の組み付け工程の必要無く、振動子単体で実機と同様に、振動子特性の検査を行なうことができる。
【００６４】
また、本実施形態によれば、検査用プローブＰ１〜Ｐ７から各電極を介して振動子１に加わる応力を、実装状態においてリード線（本例ではワイヤＷ）により加わる応力の１００倍以下としているから、振動子１の振動が抑制されず、正常な振動子特性を検査することができる。
なお、検査用プローブＰ１〜Ｐ７の応力はプローブの形状や材質等から決まってくるが、材質としては、銅、アルミニウム、金、タングステンのいずれかよりなるものを用いることができる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、振動子１をＸＹＺステージＳ１に固定するとともに、ネジＮ１で固定された支持部３もＸＹＺステージＳ１の固定台Ｓ２を介してＧＮＤ電位に接地されている。そのため、振動子１の固定部分をＧＮＤ電圧にすることができ、外部ノイズの影響を低減でき、精度良く振動子特性の検査が行なえる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、支持部３を介して振動子１をＸＹＺステージＳ１に固定するときに、支持部３においてくびれ部３ａよりもＸＹＺステージＳ１側の部位にて固定するようにしているから、くびれ部３ａが固定されない。従って、くびれ部３ａにおけるねじれ振動が抑制されず、振動子の振動も抑制されないため、正確なオフセット電圧・感度測定が可能となる。
【００６７】
また、本実施形態によれば、支持部３のＸＹＺステージＳ１への固定を締結により行うようにし、この固定強度を１Ｋｇ・ｃｍ以上としているから、確実な固定により振動子１の振動状態を安定させ、正常な振動特性を検査することができる。
（他の実施形態）
なお、上記図２に示した振動子１上の電極の配置は、一例であり、これに限定されるものではなく、適宜設計変更してもよい。また、振動子特性検査において、電極配置に応じて検査用プローブを適宜用意することは勿論である。
【００６８】
また、振動子は図示例のような音叉形状に限定されるものではなく、例えば、従来知られているような一本の角柱形状または櫛形状のものであってもよい。また、支持部もくびれ部を有しないものであってもよい。
また、振動子は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン鉛）または水晶等の圧電体で形成されたものでなくともよく、金属等から形成されたものであってもよい。この場合、振動子に圧電素子を張り付け、これを駆動及び検出手段とする。このように、本発明は、振動子更には支持部の構成について限定せず、適用可能である。
【００６９】
以上、本発明について述べてきたが、本発明の検査方法の要部は、振動子に設けられた駆動手段及び検出手段に、検査時には駆動周波数よりも２．２５ｋＨｚ以上高い共振周波数を有する検査用プローブを接触させ、この検査用プローブを介して、駆動または検出の各振動状態を電気信号として測定することにより、振動子特性を検査することにある。従って、検査の評価系の各装置等は適宜変更してよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る角速度センサのセンサ部構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す振動子の外周面上に形成された電極の構成を示す説明図である。
【図３】上記実施形態に係る検査装置の要部を示す説明図である。
【図４】上記実施形態に係る検査の評価系構成を示すブロック図である。
【図５】プローブ荷重とオフセット電圧との関係の検討例を示す図である。
【図６】プローブの共振周波数と合成Ｖｓ信号との関係の検討例を示す図である。
【図７】支持部の固定強度とオフセット電圧との関係の検討例を示す図である。
【図８】従来の角速度センサの特性評価状態を示す図である（実機状態）。
【符号の説明】
１…振動子、３…支持部、３ａ…支持部のくびれ部、１１、１２…駆動電極、
１３、１４…モニタ電極、１７、１８…パット電極、
１９、２０…角速度検出電極、２１、２２…引出し電極、
１００…角速度センサ、Ｐ１、Ｐ２…検知用プローブ、
Ｐ３…仮ＧＮＤ用プローブ、Ｐ４、Ｐ５…モニタ用プローブ、
Ｐ６、Ｐ７…駆動用プローブ、Ｓ１…ＸＹＺステージ、Ｗ…ワイヤ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for inspecting vibrator characteristics of an angular velocity sensor having a vibrator used for, for example, vehicle control / navigation in the automobile field and video hand shake prevention in the consumer electronics field.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the inspection of the vibrator characteristics of the angular velocity sensor has been performed in a state where the vibrator is assembled, that is, in an actual machine state. An example is shown in FIG. For example, a tuning fork-shaped vibrator 1 having a pair of arms 4 and 5 is fixed to a substrate 2 having a wiring member T connected to a control circuit via a support member (supporter) 3.
[0003]
The substrate 2 on which the vibrator 1 is fixed is covered with a shell (notched in FIG. 8 and only a part thereof is shown) 101 to form a sensor unit. The sensor unit is fastened to a vibration isolating member 102 made of, for example, a columnar rubber by a screw 103, and is fixed to a housing 104 for attachment to a measured object such as a vehicle via the vibration isolating member 102. .
The driving and detecting means (shaded hatched portion in FIG. 8) of the vibrator 1 composed of electrodes or the like provided on the vibrator 1 is connected to the wiring by a signal input / output wire (lead wire) W by wire bonding or the like. It is electrically connected to the control circuit of the sensor via the member T.
[0004]
In such a mounted state, the vibrator characteristics of the angular velocity sensor are inspected. The vibrator 1 normally excites the arms 4 and 5 in the y-axis direction of FIG. 8 by inputting / outputting signals from the control circuit to the vibrator 1 via the driving and detecting means, that is, driving vibration is performed. The vibration of the arms 4 and 5 in the x-axis direction in FIG. 8 orthogonal to the drive vibration direction is detected as the detected vibration, and the angular velocity around the predetermined axis (z axis in FIG. 8) is detected from the detected vibration state.
[0005]
Here, the detected vibration is based on the angular velocity, and is the vibration of the arms 4 and 5 in the direction perpendicular to the driving vibration due to the Coriolis force generated when the angular velocity is applied to the vibrator 1 during the driving vibration. Then, a voltage having a magnitude corresponding to the detected vibration is generated from the vibrator 1, and this voltage is detected as an angular velocity signal. Therefore, if an unnecessary vibration occurs in the direction of the detection vibration in the vibrator 1 when the angular velocity is 0, a detection error occurs as an offset voltage.
[0006]
The offset voltage generated when no angular velocity is input to this sensor changes its output when the ambient temperature changes. This output change is called offset voltage temperature drift, and is expressed as a value converted into an angular velocity, that is, a change in output voltage divided by the sensor sensitivity with respect to the angular velocity (that is, the unit is ° / S (second)). . A smaller offset voltage temperature drift is desirable because it causes an erroneous output of the sensor.
[0007]
Therefore, as an oscillator characteristic, in general, such an offset voltage, an offset voltage temperature drift, an angular velocity as a sensitivity of an output voltage, a temperature characteristic of this sensitivity, and the like are inspected.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the past, the vibrator characteristics were inspected in the state of an actual machine, and therefore an assembly process of the signal input / output wire (lead wire) W is required. For this reason, there has been a problem that production efficiency is not good, for example, when the vibrator characteristics are defective as a result of inspection, and the vibrator 1 must be removed from the mounting state.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor having a vibrator that can be used to inspect vibrator characteristics in the same manner as in an actual machine.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, in the first aspect of the present invention, the drive means (11-14) and the detection means (17-22) provided in the vibrator (1)During inspectionVibration frequency of drive vibrationHigher than 2.25kHzTest probes (P1 to P7) having a resonance frequency are brought into contact with each other, and each vibration state of the drive or detection vibration in the vibrator (1) is measured as an electric signal through the test probes (P1 to P7). Thus, the characteristic of the vibrator is inspected.
[0011]
  Thereby, the vibrator characteristics of the sensor can be inspected in the state of the vibrator alone without connecting the vibrator (1) with the lead wire (W). In addition, according to the study by the present inventors,At the time of inspectionWhen the resonance frequency of the inspection probes (P1 to P7) is equal to or lower than the vibration frequency of the driving vibration, the inspection probes (P1 to P7) vibrate and come into contact or non-contact, that is, hunting occurs.
[0012]
  Therefore, according to the present invention,At the time of inspectionThe resonance frequency is the vibration frequency of the drive vibration.Higher than 2.25kHzBy setting and preventing hunting, good contact of the inspection probes (P1 to P7) can be maintained, and the vibrator characteristics can be inspected with high accuracy in a state close to the actual machine. Therefore, the vibrator characteristics can be inspected with the vibrator alone as in the actual machine without the need for the assembly process of the lead wire (W).
[0013]
The inventions according to claims 2 to 6 have been made based on the results of examination of inspection conditions and the like in order to perform more stable inspection of vibrator characteristics.
That is, according to the second aspect of the present invention, the stress applied to the vibrator (1) from the inspection probes (P1 to P7) via the drive means and detection means (11 to 14, 17 to 22) is measured in the actual machine. The stress applied by (W) is 100 times or less.
[0014]
Although it is possible to inspect when the stress from the inspection probes (P1 to P7) is 100 times or more of the stress due to the lead wire (W), the vibration of the vibrator (1) is suppressed and normal. This is because it is not preferable for inspecting the vibrator characteristics.
Here, as a material of the inspection probes (P1 to P7), a material made of any of copper, aluminum, gold, and tungsten can be used as in the third aspect of the invention.
[0015]
According to a fourth aspect of the invention, the vibrator (1) is fixed to the inspection table (S1), and the fixed portion of the vibrator (1) is grounded to the GND voltage to inspect the vibrator characteristics. Thus, the influence of external noise on the vibrator characteristics can be reduced, and the vibrator characteristics can be inspected with high accuracy.
The invention according to claim 5 relates to an angular velocity sensor in which the vibrator (1) is supported by a support portion (3) having a constricted portion (3a). Here, the reason why the support portion (3) has the constricted portion (3a) is to insulate vibration of the vibrator (1). In such a configuration, the vibration of the vibrator (1) causes torsional vibration in the constricted portion (3a) of the support portion (3).
[0016]
Here, according to the present invention, when the vibrator (1) is fixed to the inspection table (S1) via the support portion (3), the inspection table is more in the support portion (3) than the constricted portion (3a). Since it is fixed at the site on the (S1) side, the constricted portion (3a) is not fixed. Therefore, vibration suppression of the vibrator due to suppression of the torsional vibration can be prevented. Further, according to the invention described in claim 6, in the invention described in claim 5, the support portion (3) is fixed to the inspection table (S1) by fastening, and the fixing strength is 1 kg · cm or more. This makes it possible to stabilize the vibration state of the vibrator by reliable fixing and to inspect the vibrator characteristics with higher accuracy.
[0017]
In addition, the code | symbol in the above-mentioned parenthesis shows the correspondence with the specific means of embodiment description later mentioned.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. In the present embodiment, the present invention will be described on the assumption that the tuning fork type vibrator is applied to a vibrator characteristic inspection of an angular velocity sensor in which a tuning fork vibrator is supported by a support portion having a constricted portion. FIG. 1 is a perspective view of a sensor unit configuration in the angular velocity sensor 100 according to the present embodiment. The angular velocity sensor 100 is used, for example, as an angular velocity sensor used for automobile attitude control, a car navigation system, or the like.
[0019]
The sensor unit of the angular velocity sensor 100 includes a vibrator 1, a support part (supporter) 3 for supporting the vibrator 1, and a substrate 2 to which the vibrator 1 and the support part 3 are attached.
The vibrator 1 is a piezoelectric body (for example, PZT) formed in a tuning fork shape having a pair of square columnar arms (vibrating portions) 4 and 5 and a connecting portion 6 that connects one end of each arm 4 and 5. Formed from.
[0020]
The vibrator 1 is joined to the support portion 3 by, for example, an epoxy-based adhesive at the connecting portion 6, and is supported by the support portion 3. The support part 3 consists of what sintered metal powder like 42N (42 alloy), for example, has the constriction part 3a, and is exhibiting a substantially square shape.
The support portion 3 is joined to the substrate 2 by welding or the like. Further, due to the recess 2 a formed in the substrate 2, the vibrator 1 is floated substantially parallel to the substrate 2 in a non-contact state.
[0021]
Here, of the pair of substantially U-shaped surfaces in which the arms 4 and 5 and the connecting portion 6 form the same plane and face each other, the surface opposite to the substrate 2 is the X1 surface and the other facing the X1 surface. This plane is defined as X2 plane (see FIG. 2). Of the surfaces positioned on the outer periphery of the vibrator 1 and substantially perpendicular to the y-axis that is the arrangement direction of the arms 4 and 5, the arm 4 side is the Y1 surface and the arm 5 side is the Y2 surface (see FIG. 2). .
[0022]
Further, the xyz orthogonal coordinate system shown in FIG. 1 is configured together with the y axis and the z axis parallel to the longitudinal direction of the arms 4 and 5 with the direction substantially orthogonal to the X1 plane and the X2 plane as the x axis. Hereinafter, in this embodiment, it demonstrates using this xyz rectangular coordinate. Further, hereinafter, the x-axis direction means a direction parallel to the x-axis, and the same applies to the y-axis and z-axis directions. For example, the vehicle is mounted with the z-axis direction as the top and bottom.
[0023]
The vibrator 1 is formed with a plurality of electrodes for driving and angular velocity detection. Next, the electrode configuration will be described. FIG. 2 is an explanatory view of the configuration of each of the electrodes 11 to 27 formed on the outer peripheral surface of the vibrator 1 as seen from the front, rear, left and right of the vibrator 1. (A) shows the X1 plane, (b) shows the X2 plane, (c) shows the Y1 plane, and (d) shows the electrode configuration on the Y2 plane.
[0024]
On the X1 plane, drive electrodes 11 and 12 for driving the vibrator 1, monitoring electrodes 13 and 14 for feedback for monitoring the drive state and self-excited oscillation (self-excited oscillation), and a temporary grounded reference potential are provided. The GND electrodes 15 and 16 and the pad electrodes 17 and 18 for taking out the angular velocity output are formed.
On the other hand, the charges generated by the Coriolis force are taken out from the Y1 and Y2 planes, and the output from the angular velocity detection electrodes 19 and 20 and the angular velocity detection electrodes 19 and 20 for detecting the angular velocity input to the vibrator 1 is output to the pad electrode 17. , 18 and lead electrodes 21, 22 and the common electrode 23 formed on the X2 plane and grounded to the reference potential and the temporary GND short electrodes 24, 25 for short-circuiting the temporary GND electrodes 15, 16 on the X1 plane. Is formed.
[0025]
Here, the drive and monitor electrodes 11 to 14 correspond to the drive means, the pad, the angular velocity detection and extraction electrodes 17 to 22 correspond to the detection means. Also, the temporary GND, common and temporary GND short-circuited electrodes 15, 16, 23 to 25 are grounded to a reference potential.
The angular velocity detection electrode 21 may be on the surface of the arm 4 facing the Y1 surface, and the angular velocity detection electrode 22 of the arm 5 may be on the surface facing the Y2 surface. Further, the detection electrode may be on only one of the Y1 plane and the Y2 plane. In the case of only one, the angular velocity is detected from the detected vibration of the arm on the side where the detection electrode is present.
[0026]
The vibrator 1 is polarized in the x-axis direction orthogonal to the X1 and X2 planes, as indicated by the white arrows in FIG.
Input / output of signals between the vibrator 1 and a drive / detection circuit (control means) (not shown) provided in the sensor is, for example, a terminal (wiring member) T insulated and configured on the substrate 2 and the vibrator 1. Each electrode is connected by a wire (lead wire) W connected by wire bonding or soldering.
[0027]
As described above, the sensor portion of the angular velocity sensor 100 is configured in such a manner that the vibrator 1 is fixed to the substrate 2 via the support portion 3 and wiring by the wire W is performed. And this sensor part is assembled | attached to the housing (not shown) for attaching to to-be-measured bodies, such as a vehicle, via a vibration isolator (not shown) similarly to having shown in the said FIG. The angular velocity sensor 100 is configured.
[0028]
The angular velocity sensor 100 having such a configuration operates as follows by the drive / detection circuit.
First, by applying an alternating voltage (drive voltage) inverted by 180 ° between the drive electrode 11 and the common electrode 23 formed between the X1 plane and the X2 plane, and between the drive electrode 12 and the common electrode 23, the vibrator 1 Is resonated in the y-axis direction (drive vibration). At this time, the output (current) from the monitor electrodes 13 and 14 is converted into a voltage and used as a monitor signal. Self-excited controlled oscillation is performed by controlling the drive voltage so that the monitor signal remains constant even when the temperature changes.
[0029]
Under this driving vibration, the vibrator 1 generates vibration (detection vibration) having an amplitude proportional to the angular speed Ωz in the x-axis direction due to the Coriolis force generated when the angular speed Ωz is input around the z-axis. At this time, output (current) proportional to the angular velocity is generated from the angular velocity detection electrodes 19 and 20 formed on the Y1 surface and the Y2 surface, and this is output to the circuit via the pad electrodes 17 and 18.
[0030]
This output is processed in the circuit as follows. The outputs from the respective angular velocity detection electrodes 19 and 20 are converted into voltages and differentially amplified. The differentially amplified voltage is passed through a bandpass filter or the like, components other than the resonance frequency of the vibrator are removed, and synchronous detection processing is performed based on the monitor signal. Next, an angular velocity detection signal is output as a DC voltage through a low-pass filter or the like. The above is the basic operation of angular velocity detection.
[0031]
A method for inspecting vibrator characteristics of the angular velocity sensor 100 having such a configuration and operation will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 3 is an explanatory view showing the main part of the inspection apparatus according to the present embodiment, and FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of an inspection evaluation system.
Conventionally, vibrator characteristics are inspected in a state where the sensor portion is assembled to the housing as shown in FIG. The vibrator characteristics here include the offset voltage, offset voltage temperature drift, sensitivity, sensitivity temperature characteristics, and the like as described above.
[0032]
In the present embodiment, a characteristic inspection is performed as shown in FIG. That is, signals are input and output by bringing the probes (inspection probes) P1 to P7 shown in FIG. 3 into contact with the electrodes on the X1 surface of the vibrator 1. In this example, the number of probes required to drive and detect the vibrator is seven, but the number differs depending on the vibrator structure and electrode pattern.
[0033]
The two detection probes P1 and P2 are in contact with the pad electrodes 17 and 18, respectively, and the temporary GND probe P3 is in contact with one of the temporary GND electrodes 15 and 16 (in this example, the temporary GND electrode 16). . The two monitoring probes P4 and P5 are in contact with the monitor electrodes 13 and 14, respectively, and the two driving probes P6 and P7 are in contact with the driving electrodes 11 and 12, respectively.
[0034]
Each of the probes P1 to P7 is connected to a metal bar (seven in FIG. 3) M1, and each metal bar M1 is fixed to an XYZ stage (inspection table) S1 that can be changed vertically and horizontally. Each metal bar M1 and the inspection drive circuit 50 are connected by lead wires (seven in FIG. 3) R1. Further, the vibrator 1 is fastened and fixed to the fixing base S2 of the XYZ stage S1 by a screw N1 in the support portion 3 joined to the vibrator 1.
[0035]
With the above configuration, it is possible to transmit signals between the vibrator 1 and the test drive circuit 50, and the vibrator characteristics can be evaluated by configuring the evaluation system shown in FIG. 4 from the test drive circuit 50. Become. Therefore, the vibrator characteristics can be inspected in the state of the vibrator alone without connecting the vibrator 1 with the lead wire (wire W).
Further, in the oscillator characteristics, the offset voltage temperature drift can be evaluated by placing the oscillator 1 in a thermostatic chamber, and the sensitivity (angular velocity output) evaluation can be performed by placing the oscillator 1 on a rotary table. The temperature characteristics can be evaluated by placing the vibrator 1 on a rotary table and placing it in a thermostatic chamber.
[0036]
Next, an evaluation system for inspecting vibrator characteristics will be described taking an inspection of an offset voltage as an example. The provisional GND probe P3 is grounded via the inspection drive circuit 50 and has a reference potential. Further, the support portion 3 fixed by the screw N1 is grounded to the GND potential via the fixing base S2 of the XYZ stage S1. Here, the test drive circuit 50 basically performs self-excited control oscillation in the vibrator 1.
[0037]
That is, the drive voltage (Vd in FIG. 4) is applied from the drive electrodes 11 and 12 via the drive probes P6 and P7, and the vibrator 1 is driven and oscillated. The monitor signal (VR in FIG. 4) is monitored from the monitor electrodes 13 and 14 via the monitoring probes P4 and P5, and self-excited control oscillation is performed so that the monitor signal VR becomes constant even when the temperature changes.
[0038]
Further, in order to inspect the noise signal of the vibrator 1 during the drive vibration by the self-excited control oscillation, the inspection drive circuit 50 includes the angular velocity detection electrode 19 via the pad electrodes 17 and 18 and the detection probes P1 and P2. , 20 converts the output (current) into a voltage. Here, the voltage from the angular velocity detection electrode 19 (pad electrode 17) is the first Vs signal, and the voltage from the angular velocity detection electrode 20 (pad electrode 18) is the second Vs signal. Both voltages are differentially amplified to obtain a combined Vs signal.
[0039]
In FIG. 4, reference numeral 51 denotes a power source for operating the test drive circuit 50.
Reference numeral 52 denotes a multimeter for confirming whether the drive voltage Vd oscillated from the test drive circuit 50 is abnormal. For example, when one of the driving probes P6 and P7 or the monitoring probes P4 and P5 is not in contact, the monitor signal VR of the vibrator 1 is halved at a normal driving voltage value. .
[0040]
Therefore, the test drive circuit 50 controls the drive voltage Vd to be approximately doubled in order to keep the monitor signal VR constant. Therefore, by monitoring the driving voltage test multimeter 52, when the driving voltage Vd is approximately doubled, it is possible to determine the contact failure between the driving probes P6 and P7 and the monitoring probes P4 and P5.
Reference numeral 53 denotes an oscilloscope for confirming whether or not the detection probes P1 and P2 for detecting the first and second Vs signals are in contact with the pad electrodes 17 and 18, respectively.
[0041]
If both detection probes P1 and P2 are not in normal contact, the first and second Vs signal waveforms output to the oscilloscope 53 may have noise, and if the contact state is poor, the waveform of each Vs signal is distorted. The contact state can be confirmed.
The oscilloscope 53 monitors the monitor signal VR and the synthesized Vs signal (for example, the second Vs signal minus the first Vs signal).
[0042]
Here, the monitor signal VR is monitored in order to confirm whether or not the test drive circuit 50 is operating normally, that is, whether or not the monitor signal VR is controlled to be constant. The reason why the combined Vs signal is monitored is to check whether or not the differential amplification is normally performed in the test drive circuit 50.
[0043]
The drive voltage Vd monitored by the multimeter 52 can be monitored by the oscilloscope 53 without any problem.
Reference numeral 55 denotes an offset voltage inspection multimeter for monitoring the offset voltage after synchronous detection by the lock-in amplifier 54.
An inspection procedure for the offset voltage to be inspected in the above evaluation system will be described. First, the oscilloscope 53 checks whether the first and second Vs signals, the combined Vs signal, and the monitor signal VR are normally output. Next, the combined Vs signal and the monitor signal VR are input to the lock-in amplifier 54, and the offset voltage after synchronous detection is inspected by the multimeter 55.
[0044]
Thus, the offset voltage characteristic is inspected. The offset voltage temperature drift can be evaluated by changing the ambient temperature of the vibrator 1 and measuring the offset voltage in the same manner as described above. In addition, sensitivity (angular velocity output) evaluation can be performed by placing the vibrator 1 on a rotary table, rotating the rotary table to input the angular velocity to the vibrator 1, and performing inspection in the same manner as the offset voltage. Moreover, the temperature characteristic evaluation of the sensitivity can be inspected by changing the ambient temperature of the vibrator 1 in the sensitivity evaluation.
[0045]
  By the way, the present inventors examined the inspection conditions and the like in order to perform the inspection more stably in the inspection of the vibrator characteristics. As a result of the examination, in order to accurately evaluate the characteristics, important factors are (1) stress on the vibrator by the probe, (2)It was found that the resonance frequency of the probe was (3) the method of fixing the support (supporter).
[0046]
The above factors (1) and (2) are applied to all angular velocity sensors that perform input / output of signals from the vibrating portion (vibrator) of the sensor in the angular velocity sensor that vibrates. First, factor (1) will be described.
In the inspection of the vibration characteristics, if too much stress is applied to the vibrator 1 by each of the probes P1 to P7, the vibration state of the vibrator 1 changes, causing a problem that the characteristics cannot be measured with high accuracy.
[0047]
Therefore, the relationship between the stress (hereinafter referred to as probe load) applied to the vibrator 1 by the probe (for example, the detection probe P1) and the offset voltage was examined, and a preferable probe load range was obtained. An example of the examination result is shown in FIG.
The probe load level is as follows: (1) 2.76 × 10^-Four(N), (2) 27.4 × 10^-Four(N), (3) 222 × 10^-FourThe three levels (N) were used, and the probe load was calculated from the probe material, shape, and deflection amount.
[0048]
For comparison, the mounting state assembled in the housing, that is, the actual (finished product) angular velocity sensor 100 was also examined. In the actual machine, the wire W is aluminum wire bonding, and the stress applied to the vibrator 1 by the wire W is 0.122 × 10 6.^-Four(N).
For each of these actual devices and the above three levels of probe configurations, the probe load (× 10^-FourFIG. 5 shows the result of examining the relationship between N) and the offset voltage (° / s).
[0049]
FIG. 5 uses three vibrators 1, that is, A 1, A 2, and A 3, and the value obtained by subtracting the offset voltage value in the actual machine from the offset voltage value in each probe is defined as an offset voltage change (° / s). The relationship between offset voltage change and probe load is shown.
As can be seen from FIG. 5, the greater the stress (probe load) by the probe, the greater the offset voltage change, that is, the error from the actual machine, and the load 222 × 10.^-FourIn (N), the oscillation is stopped to suppress the vibration of the vibrator 1. Therefore, it is necessary to reduce the stress applied to the vibrator 1 by the probe. Load 2.76 × 10^-FourWith the probe of (N), the error with the actual machine is close to 0, and there is no practical problem, but the load φ27.4 × 10^-FourIn the probe (N), the error is large. Therefore, based on FIG. 5, the probe load is 2.76 (× 10^-FourN) The offset voltage measurement error can be reduced by setting it to the following.
[0050]
Here, the ideal value of the stress is the same value as the stress generated by the wire (lead wire) W for extracting a signal from the actual vibrator. However, according to the study by the present inventors, the wire W is practically used. It is preferable that the stress is 100 times or less of the stress applied by the step. The stress is determined by the material of the probe, the wire diameter, the length, the amount of deflection, and the like, but as a practical lower limit, it is 1/100 or more times the stress applied by the wire W.
[0051]
  Next, the above factor (2), that is,At the time of inspectionAn example of the examination result about the resonant frequency of a probe is shown. Regarding the factors, FIG. 6 shows the relationship between the resonance frequency of the detection probes P1 and P2 and the synthesized Vs signal that is the basic waveform of the offset voltage. Probes P1 and P2 have a resonance frequency of 670 Hz, and A resonance frequency of 5.5 kHz was prepared.
[0052]
That is, the probes P1 and P2 were prepared with a resonance frequency lower and higher than the drive frequency. Here, the frequency of the drive vibration of the vibrator 1 (drive frequency fD) is 3.25 kHz ± 150 Hz. 6A and 6B show waveforms of the monitor signal VR and the synthesized Vs signal by the oscilloscope 53. FIG. 6A shows a probe whose resonance frequency is 670 Hz, and FIG. 6B shows a probe whose resonance frequency is 5.5 kHz.
[0053]
As shown in FIG. 6A, when the resonance frequency of the probes P1 and P2 is lower than the driving frequency of the vibrator 1, the synthesized Vs signals output from the angular velocity detection electrodes 19 and 20 and the pad electrodes 17 and 18 are hunted. As a result, noise is added to the waveform, making it impossible to measure with high accuracy. However, as shown in FIG. 6B, when the resonance frequency is higher than the driving frequency of the vibrator, the synthesized Vs signal can be measured without hunting.
[0054]
  This is because when the resonance frequency of the probes P1 and P2 is lower than the drive frequency of the vibrator 1, the probe P1 and P2 and the pad electrodes 17 and 18 on the vibrator are not in contact with each other during the drive vibration of the vibrator 1. It is presumed that the signal hunts due to the occurrence of the condition. From these facts, not only the probes P1 and P2, but also the resonance frequencies of all the probes P1 to P7 are higher than the drive frequency of the vibrator 1.2.25 kHz or moreA high value is preferable.
[0055]
Regarding the above factor (3), that is, the fixing method of the support portion 3, it is preferable that the support portion 3 is not fixed at the constricted portion 3a, but is fixed at a site closer to the XYZ stage S1 that is the inspection table than the constricted portion 3a. Here, the reason why the support portion 3 has the constricted portion 3 a is to insulate the vibration of the vibrator 1. In such a configuration, torsional vibration occurs in the constricted portion 3 a of the support portion 3 due to vibration of the vibrator 1.
[0056]
Here, when the vibrator 1 is fixed to the XYZ stage S1 via the support portion 3, if the constriction portion 3a is fixed, the torsional vibration is suppressed, and accordingly, the vibration of the vibrator 1 is also suppressed. Therefore, accurate offset voltage and sensitivity measurement cannot be performed.
Therefore, in the fixing of the support portion 3, by fixing the support portion 3 at a portion closer to the XYZ stage S1 than the constriction portion 3a, the constriction portion 3a is not fixed and vibration of the vibrator 1 is not suppressed. Accurate offset voltage and sensitivity measurement is possible.
[0057]
In the present embodiment, the support portion 3 is fixed by the screw N1 that is a fastening member. The present inventors also examined the fixing strength by the screw N1, and obtained a preferable fixing strength.
An example of the study is shown in FIG. The fixing strength by the screw (M3 in this example) N1 was set to three levels of 2 kgf · cm, 4 kgf · cm, and 6 kgf · cm. The actual machine was also examined for comparison.
[0058]
In FIG. 7, for the five vibrators 1, that is, B1 to B5, the value obtained by subtracting the value of the offset voltage in the actual machine from the value of the offset voltage at each fixed strength is defined as the offset voltage difference (° / s). This shows the relationship between the difference and the fixed strength.
As can be seen from FIG. 7, at each fixed intensity, the offset voltage difference, that is, the error of the offset voltage with the actual machine is within 50 ° / s, which can be an error with no practical problem. Based on these studies, it was found that the support portion 3 is fixed below the constricted portion 3a (on the inspection table S1 side), and the fixing strength when fixing by fastening is a torque of 1 kg · cm or more. It should be noted that the characteristic evaluation is possible even with a fixed strength smaller than this value, but this is not preferable because the fixation of the vibrator becomes unstable and the vibration becomes unstable, resulting in a large error with the actual machine.
[0059]
As described above, the conditions for accurately inspecting the vibrator characteristics are summarized for the above factors (1) to (3).
Regarding the factor (1), the stress of the inspection probes P1 to P7 needs to be the actual stress or the vicinity thereof due to the actually used lead wire or wire bonding. According to the study by the inventors, it is practically preferable that the stress is 1/100 to 100 times the actual stress. Although the measurement accuracy is deteriorated, in the case of a bulk vibrator in which the vibrator 1 is formed of a piezoelectric material as in this example, it is possible to evaluate up to about 500 times the wire bonding stress.
[0060]
  Regarding factor (2),At the time of inspectionThe resonance frequency of the inspection probes P1 to P7 is higher than the drive frequency of the vibrator 12.25 kHz or moreMake it high. Although there is no upper limit of the resonance frequency in this factor (2), it is necessary to increase the rigidity of the probe in order to increase the resonance frequency, which increases the stress on the vibrator by the probe. There is a limit from the relationship. The factor (3) is performed closer to the inspection table (XYZ stage S1 in this example) than the constricted part 3a of the support part 3, and the fixing strength is fixed with a torque of 1 kg · cm or more. Although there is no upper limit, it is preferable that the support part 3 is not damaged.
[0061]
The offset voltage temperature drift, sensitivity, and temperature characteristics of sensitivity are basically performed according to the offset voltage inspection procedure. Therefore, the above inspection conditions are generally applied to the inspection of the transducer characteristics in the present embodiment.
It is also necessary to devise wiring from the probes P1 to P7 to the inspection drive circuit 50.
[0062]
That is, the signals input to and output from the vibrator 1 are large and small, and the drive voltage Vd (drive signal) and the monitor signal VR (reference signal) are large. Compared to the detection signals ( (Including offset voltage) is small. Therefore, the distance from the probe to the drive circuit 50 is too long, or depending on the condition of the wiring distance between the detection signal and the drive / reference signal, noise of the drive / reference signal rides on the detection signal and cannot be measured accurately. is there.
[0063]
  By the way, according to the present embodiment, the vibrator characteristics of the sensor can be inspected in the state of the vibrator alone without connecting the vibrator 1 with the lead wire (in this example, the wire W). Moreover, according to this embodiment,At the time of inspectionThe resonance frequency of the inspection probes P1 to P7 is higher than the vibration frequency of the drive vibration.2.25 kHz or moreBy setting it high and preventing hunting, good contact of the inspection probes P1 to P7 can be maintained, and the vibrator characteristics can be inspected with high accuracy in a state close to the actual machine. Therefore, according to the present embodiment, the vibrator characteristics can be inspected with a single vibrator as in the actual machine without the need for a lead wire assembling step.
[0064]
Further, according to this embodiment, the stress applied to the vibrator 1 from each of the inspection probes P1 to P7 via each electrode is set to 100 times or less of the stress applied by the lead wire (in this example, the wire W) in the mounted state. Therefore, the vibration of the vibrator 1 is not suppressed, and normal vibrator characteristics can be inspected.
Note that the stress of the inspection probes P1 to P7 is determined by the shape and material of the probe, but as the material, one made of copper, aluminum, gold, or tungsten can be used.
[0065]
According to the present embodiment, the vibrator 1 is fixed to the XYZ stage S1, and the support portion 3 fixed by the screw N1 is also grounded to the GND potential via the fixing base S2 of the XYZ stage S1. Therefore, the fixed portion of the vibrator 1 can be set to the GND voltage, the influence of external noise can be reduced, and the vibrator characteristics can be inspected with high accuracy.
[0066]
In addition, according to the present embodiment, when the vibrator 1 is fixed to the XYZ stage S1 via the support portion 3, the support portion 3 is fixed at a portion closer to the XYZ stage S1 than the constricted portion 3a. Therefore, the constricted part 3a is not fixed. Accordingly, the torsional vibration in the constricted portion 3a is not suppressed, and the vibration of the vibrator is not suppressed, so that accurate offset voltage / sensitivity measurement can be performed.
[0067]
In addition, according to the present embodiment, the support portion 3 is fixed to the XYZ stage S1 by fastening, and the fixing strength is set to 1 Kg · cm or more, so that the vibration state of the vibrator 1 is stabilized by reliable fixing. Normal vibration characteristics can be inspected.
(Other embodiments)
Note that the arrangement of the electrodes on the vibrator 1 shown in FIG. 2 is an example, and is not limited to this, and the design may be changed as appropriate. In addition, in the transducer characteristic inspection, of course, an inspection probe is appropriately prepared according to the electrode arrangement.
[0068]
Further, the vibrator is not limited to the tuning fork shape as shown in the example, and may be, for example, a single prism shape or a comb shape as conventionally known. Further, the support portion may not have a constricted portion.
Further, the vibrator does not have to be formed of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate) or crystal, and may be formed of metal or the like. In this case, a piezoelectric element is attached to the vibrator, and this is used as drive and detection means. As described above, the present invention is not limited to the configuration of the vibrator and the support portion, and can be applied.
[0069]
  Although the present invention has been described above, the main part of the inspection method of the present invention is the driving means and the detection means provided in the vibrator.During inspectionThan drive frequency2.25 kHz or moreThe object is to inspect the vibrator characteristics by contacting an inspection probe having a high resonance frequency and measuring each vibration state of driving or detection as an electric signal through the inspection probe. Therefore, it goes without saying that each apparatus of the inspection evaluation system may be changed as appropriate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a sensor unit configuration of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of electrodes formed on the outer peripheral surface of the vibrator shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory view showing a main part of the inspection apparatus according to the embodiment.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of an inspection evaluation system according to the embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a study example of a relationship between a probe load and an offset voltage.
FIG. 6 is a diagram showing an example of examining the relationship between the resonance frequency of a probe and a synthesized Vs signal.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of examining the relationship between the fixing strength of the support portion and the offset voltage.
FIG. 8 is a diagram showing a characteristic evaluation state of a conventional angular velocity sensor (actual machine state).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vibrator, 3 ... Support part, 3a ... Constriction part of support part, 11, 12 ... Drive electrode,
13, 14 ... monitor electrode, 17, 18 ... pad electrode,
19, 20 ... angular velocity detection electrode, 21, 22 ... extraction electrode,
100: Angular velocity sensor, P1, P2: Probe for detection,
P3 ... provisional GND probe, P4, P5 ... monitoring probe,
P6, P7 ... Driving probe, S1 ... XYZ stage, W ... Wire.

Claims

A vibrator (1);
Drive means (11-14) provided on the vibrator for driving vibration by exciting the vibrator;
Detection means (17-22) for detecting the vibration of the vibrator in a direction orthogonal to the drive vibration direction provided as the detection vibration and detecting an angular velocity around a predetermined axis from the state of the detection vibration; With
An inspection method for inspecting vibrator characteristics in an angular velocity sensor (100) adapted to be connected to a control circuit by a lead wire (W) after inspecting the drive and detection means,
During inspection, the drive means and the detection means, by contacting a test probe (P1 to P7) having a higher resonant frequency than 2.25kHz than the vibration frequency of the driving vibration,
A vibrator characteristic inspection method for an angular velocity sensor, wherein the vibrator characteristic is inspected by measuring each driving or detection vibration state of the vibrator as an electric signal through the inspection probe.

The stress applied to the vibrator (1) from the inspection probes (P1 to P7) via the drive means and detection means (11 to 14, 17 to 22) is 100 of the stress applied by the lead wire (W). 2. The method for inspecting vibrator characteristics of an angular velocity sensor according to claim 1, wherein the characteristic is twice or less.

3. The method for inspecting vibrator characteristics of an angular velocity sensor according to claim 1, wherein the inspection probes (P1 to P7) are made of any one of copper, aluminum, gold, and tungsten.

4. The vibrator according to claim 1, wherein the vibrator is inspected by fixing the vibrator to the inspection table and grounding a fixed portion of the vibrator to a reference voltage. A vibrator characteristic inspection method for an angular velocity sensor according to one of the above.

The vibrator (1) is supported by a support portion (3) having a constricted portion (3a), and is fixed to the inspection table (S1) through the support portion.
4. The vibrator characteristic inspection of the angular velocity sensor according to claim 1, wherein the support portion is fixed at a portion of the support portion that is closer to the inspection table than the constriction portion. 5. Method.

The method for inspecting vibrator characteristics of an angular velocity sensor according to claim 5, wherein the support portion (3) is fixed to the inspection table (S1) by fastening, and the fixing strength is 1 kg · cm or more. .