JPH0989568A

JPH0989568A - 音叉形ジャイロの調整方法

Info

Publication number: JPH0989568A
Application number: JP7241074A
Authority: JP
Inventors: Sumio Yamada; 澄夫山田; Masaaki Ono; 正明小野; Yoshitaka Takahashi; 芳孝高橋; Kazuji Kikuchi; 一二菊池; Motoi Yamauchi; 基山内; Noboru Wakatsuki; 昇若月
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】音叉形ジャイロを調整する際に、もれ出力を削
減するために、静電的なもれ、電気機械的もれを分離し
て除去することを目的とする。【解決手段】第１及び第２のアームを含む音叉を有する
音叉形ジャイロにおいて、該アームに形成する電極のア
ンバランスによって発生する電気機械的もれを駆動電
極、検出電極のトリミングにより低減するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音叉形振動ジャイ
ロに関し、より詳細には、圧電体を用いた音叉形振動ジ
ャイロ並びに音叉形振動ジャイロの調整方法に関する。
ジャイロスコープは飛行機や大型船舶、宇宙衛星などの
位置の確認用として使用されてきた。

【０００２】圧電ジャイロは、振動している物体に回転
角速度が与えられると、その振動方向と直角の方向に、
コリオリ力が発生するという力学的現象を利用したセン
サである。圧電ジャイロは１９５０年頃より、実用化が
試みられてきた。スペリー社の音叉形ジャイロ、ワトソ
ン社の音叉形ジャイロ、そして、１９６０年代にＧＥ社
より、金属四角柱音片ジャイロが開発された。１９９０
年代に入ると、今までの圧電ジャイロを小型高感度化し
たものや様々な形状の振動子が研究、開発されるように
なってきた。

【０００３】感度や分解能はリングレートジャイロや光
ファイバジャイロに比べて劣るものの、小型、中精度の
性能を持ち、安価な圧電ジャイロは、自動車のナビゲー
ション用の回転角速度センサやビデオテープレコーダの
ハンディカメラ、スチルカメラの手振れ検出などの民生
用として市場を広げつつある。

【０００４】

【従来の技術】圧電振動ジャイロにおいて、感度を良く
するには、無回転時の不用な出力（以降もれ出力とい
う）を小さくすることが必要である。もれ出力が大きい
と発生したコリオリ出力と合成され、もれ出力の温度特
性がコリオリ出力を見かけ上変化させてしまい正確なコ
リオリ出力が検出できない。そのため、検出回路が複雑
になり、ドリフト要因となる。また、もれ出力を温度特
性を含めた定量化が行えなない為に、もれ出力を容認し
た検出方法では正確さが欠けるなどの欠点が有った。

【０００５】圧電振動ジャイロでは、振動子の加工精
度、圧電セラミックの接着位置などのバラツキによっ
て、もれ電圧が発生する。弾性率の温度変化がほとんど
ない特性を持つ鉄- ニッケル- クロム合金であるエリン
バ材に圧電セラミックを張り合わせる従来の圧電振動ジ
ャイロの構造では、振動子の加工精度、圧電セラミック
の接着位置からのずれに起因する電気機械的もれを取り
除く方法、例えばレーザ等による圧電セラミックのトリ
ミングまたは接着による調整で電気機械的もれを極小に
するのは、非常に高い加工精度が要求されるため、コス
ト高となり、量産には不適である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、もれ出
力を削減する方法が困難であるため、検出系のもれ出力
の発生を左右のもれ電圧のレベルと位相を合わせて、差
動による波形処理を行うことにより、見かけ上のもれ出
力をゼロにする方法（村田製作所：NIKKEI ELECTRONICS
1990.11.26(no.514) ）、コーナー切削により、もれ出
力を減少させ、その後、補償用電子回路（差動検出）に
より、検出端子の振幅と位相を調整する事により、もれ
出力を減少させる方法。（中村尚、近野正：電子通
信学会総合全国大会 1986.3 P.1-78 ）等が提案されて
いる。しかし、これらの方法で削減したもれは、静電的
もれ、電気機械的もれおよび機械的もれを、一まとめに
して回路により、減少させているため、一定温度では安
定していても、温度が変化すると、それぞれのもれの位
相特性や温度係数が異なるので、もれが急激に変化し、
振動ジャイロとしたときの温度特性は悪くなる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】圧電振動ジャイロに発生
するもれ電圧は、図11に示すように静電的もれ、ｆ
_xモード側電極アンバランスもれ、ｆ_yモード側電極
アンバランスもれ、機械的もれの４種類のもれがあ
る。の静電的もれは、入力側電極と出力側電極間に発
生する静電結合である。図４に示すように、電極パター
ンを変更し、コの字に形成したアース電極により、振動
子としての変成比は劣化するものの、電極間の静電的結
合が小さくなり、静電的もれを下げることができる。

【０００８】のｆ_xモード共振周波数付近に発生する
電気機械的もれは、駆動、検出間の余剰力係数成分によ
る結合で、主に電極のアンバランスにより発生する。図
11に示すようにｆ_xモード共振周波数付近に発生する電
気機械的もれは、ｆ_xモードを振動したときに、直接検
出電極に流れる結合である。駆動と検出の電極パターン
を図４に示すように、静電的もれを考慮した構成によ
り、電気機械的もれの伝達関数を測定すると、図６に示
すようにｆ_xモードの共振周波数、ｆ_yモードの共振周
波数付近にそれぞれ電気機械的もれが現れる。このｆ_x
モード側の電気機械的もれを除去するため、図７（ａ）
に示すように、ｆ_yモード側電極にトリミング電極を設
ける。そして、図７（ｂ）に示すように、ｆ_xモード振
動（図１参照）方向、点線に対し上下方向のバランスを
調整する。つまり、ｆ_xモード振動のバランスを調整す
るのは、ｆ_yモード側電極トリミングでおこなう。図12
は、ｆ_xモード共振の電気機械的もれをｆ_yモード側電
極のトリミングしたときのもれ変化と位相変化を示す。
図でわかるように、裏面をトリミングすることによっ
て、もれを静電的もれレベルまで落とすことができた。
つまり、電極の極性の強い側の面を削ることにより、も
れを静電的もれレベルまで下げることができる。のｆ
_yモード共振周波数付近に発生する電気機械的もれは、
図11に示すようにｆ_yモード共振周波数付近に発生する
電気機械的もれは、駆動電極から直接ｆ_yモード振動を
発生させるもれである。この電気機械的もれの伝達関数
を測定すると、図６に示すように、ｆ_yモード共振周波
数付近に発生する。このｆ_yモード共振周波数付近に発
生する電気機械的もれを取り除くため、図８（ａ）に示
すように、ｆ_xモード側電極の側面にダミー電極を設
け、駆動側外側電極の表裏どちらかに接続させる。図13
（ｂ）に示すように、点線に対して左右での電極の効率
がかわりもれ出力を変化させることができる。この手法
により、ｆ_yモードの電極アンバランスもれを削減させ
ることができる。図14にｆ_yモードの電極アンバランス
もれトリミングともれ位相の関係を示す。この図では、
駆動側裏側の電極に接続したときに、もれ出力を下げる
ことが出来た。

【０００９】図15にｆ_xモードとｆ_yモードの共振周波
数が離れているときのインピーダンス特性を示す。この
振動子の入力側共振周波数付近に検出側の共振周波数を
近づけると、図16に示すように、入力側のインピーダン
ス特性が悪くなり、検出側のインピーダンス特性の反共
振点付近にくぼみが発生する。これは、入力側のｆ_Xモ
ードの共振周波数と検出側のｆ_Yモードの共振周波数を
近づけることにより、ｆ_Xモードの振動とｆ_Yモードの
振動が結合するようになるためである。この結合をの
機械的結合といい、振動子の加工精度に起因して発生す
る。検出側の反共振周波数を駆動側の共振周波数に合わ
せることにより、検出感度は検出側の機械的Ｑに比例し
て大きくなる。しかし、振動子の加工精度が悪いと、直
交するはずのｆ_Xモードとｆ_Yモードに機械的結合が発
生し、もれ電圧が増大し、出力が低下し、出力感度が悪
くなる。したがって、振動ジャイロにおいて、所望の出
力、感度を実現するには機械的結合を取り除かなければ
ならない。

【００１０】機械的結合が発生した場合、図５に示すよ
うに、音叉アームコーナー部に切溝を入れることによ
り、スティフネスを変化させ、振動バランスを変え、取
り除く。以上４つのもれを分離し、取り去る方法につい
て示した。これらのもれトリミングにより、総合的にも
れを削減し、温度特性に優れた振動ジャイロが実現でき
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に実施例を挙げ、本発明を詳
細に説明する。図１は、本発明による圧電振動ジャイロ
の音叉形振動子の構成例を示した図である。音叉形振動
子はアームが直方体の音叉で、側面に駆動と検出用の電
極が形成されている。音叉形振動子には、異なる２種類
の振動モード（ｆ_xモードとｆ_yモード）が存在する。
ｆ_xモードはＸ方向に振動し、ｆ_yモードはアームがよ
じれるようにＹ方向に動く。それらの振動の方向は直交
している。音叉には分離した２本のアームと基底部より
なる。音叉形振動子は130 °回転Ｙ板 LiTaO₃ 単結晶を
用いた。

【００１２】本実施例における LiTaO₃ 音叉は、図２に
示すように、直方体のアーム（アーム長が７ｍｍ、アー
ム幅が１ｍｍ、アーム厚さが１ｍｍ、ギャップ幅が０．
３ｍｍ）と、そのそれぞれの側面に形成した駆動および
検出のニクロム／金の薄膜電極を有する。圧電体は、ダ
イシングソーにより音叉形に加工した。３次元的な電極
は、斜め露光を用い、ホトエッチング技術で形成した。

【００１３】図３に音叉形ジャイロの実装状態の図を示
す。圧電ジャイロとしての実装は、音叉としての振動特
性を劣化させず、センサとして、回路基板と物理的に固
定され、電気的に接続する必要がある。音叉形振動子４
の底部を引出し電極配線が形成された矩形の支持基板５
に接着する。支持基板は緩衝材９を介して、回路基板８
へピン６で固定する。支持基板と回路基板は、電気的に
は、細い銅線７で接続する。

【００１４】電極構成は静電結合を減少させるため、図
４に示すように、検出電極を構成するアームの４面に電
極を形成し、３面の電極はお互いに導通させアース電極
とし、残る１面の電極は検出用として、他の３面の電極
と分離させる。さらに、この検出用電極の配置は、駆動
電極より最も遠い面に形成し、入力側電極と検出側電極
間に発生する静電結合を小さくする構成とする。

【００１５】ｆ_yモードの反共振周波数を調整し、ｆ_x
モードの共振周波数に合わせる。トリミングは伝達関数
を測定しながらおこなう。離調（Δｆ＝０）において、
もれ出力は−１６．５ｄＢであった。機械的もれ出力の
トリミングは、レーザトリミング装置を用いた。トリミ
ングの位置は、図５の機械的もれ出力の切削例に示すよ
うにアームコーナー部で行った。

【００１６】機械的もれをある程度取り去った後、支持
基板のｍａｓｓ付加により、ｆ_xモードとｆ_yモードの
共振周波数を離し、電気機械的もれトリミングを行う。
電気機械的もれは図６に示すようにｆ_xモード共振周波
数付近に発生するもれとｆ_yモード共振周波数付近に発
生するもれと２種類のもれがある。ｆ_xモードのもれト
リミングは、図７に示すように、検出側に予め形成して
おいた調整用電極のトリミングにおいておこなう。この
ときのもれ形は、伝達関数で表すと、共振点付近で急な
ゲイン上昇をしてから急なゲイン下降をする過渡現象を
示す。

【００１７】また、ｆ_yモードのもれトリミングは、図
８に示すように、ｆ_xモード側電極側面にＡｇペースト
でベタ電極をアーム下部より約５ｍｍ形成し、駆動側ア
ーム外側の電極と接続する。この側面電極形成前後でも
れ形の過渡現象が、前では、急なゲイン下降から急なゲ
イン上昇へ変化し、後では、前述のような急なゲイン上
昇から急なゲイン下降へと変化する。この電極を削り、
もれを最小とする。

【００１８】ｆ_xモードもれとｆ_yモードもれは、相互
に影響を与えるため、本サンプルにおいては、まずｆ_y
モードもれを側面電極上部より削り、−４０ｄＢまで下
げている。その後、ｆ_xモードもれをトリミング電極の
アーム先端部より切り、−４０ｄＢまで下げた。ｆ_xモ
ードもれ、ｆ_yモードもれをそれぞれ−４０ｄＢまで下
げた後、ｆ_yモードもれを静電的もれレベル（−５０ｄ
Ｂ）まで下げた。そして、ｆ_xモードもれを静電的もれ
レベル（−５０ｄＢ）まで下げた。

【００１９】その後、再度離調し、機械的もれ出力の調
整をおこない、この素子の感度を図９に示す感度測定装
置により測定した。この装置は、サーボモータ14で音叉
形振動子４を回転させ、発振器でｆ_Xモードを駆動す
る。コリオリ力による出力はオシロスコープで測定し
た。このときの出力をもれ除去前の値とともに図10に示
す。もれ除去前後では明らかに感度の差が見られた。駆
動電圧２００ｍＶ_PP、１deg/sec の回転速度で機械的結
合除去前が0.12mV/(deg/sec)に対し、もれ除去後では0.
55mV／（deg/sec)と高感度であった。

【００２０】

【発明の効果】もれを分離して取り去ることにより、総
合的にもれを小さくすることができるため、もれ出力を
容認した検出方法では実現出来なかった高出力、高感
度、高精度および温度特性に優れた圧電ジャイロが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 LiTaO₃ 単結晶音叉形振動子の構成を説明する
ための図である。

【図２】 LiTaO₃ 単結晶音叉形振動子の形状例を示すた
めの図である。

【図３】音叉形ジャイロの実装図を示すための図であ
る。

【図４】静電的もれを考慮した駆動と検出の電極パター
ン例を示すための図である。

【図５】機械的もれの除去例を示すための図である。

【図６】ｆ_xモードとｆ_Yモードの電気機械的もれを説
明するための図である。

【図７】ｆ_xモード側の電気機械的もれのトリミング原
理を説明するための図である。

【図８】ｆ_Yモード側の電気機械的もれのトリミング原
理を説明するための図である。

【図９】音叉形ジャイロの感度測定装置を示すための図
である。

【図10】音叉形ジャイロの角速度センサとしての感度を
示すための図である。

【図11】各種もれの系統について説明するための図であ
る。

【図12】ｆ_xモード側の電極アンバランスもれトリミン
グともれ、位相の関係を示すための図である。

【図13】ｆ_Yモード側の電極アンバランスもれトリミン
グともれ、位相の関係を示すための図である。

【図14】ｆ_xモードとｆ_Yモードのインピーダンス特性
（Δｆ大）を示すための図である。

【図15】ｆ_xモードとｆ_Yモードのインピーダンス特性
（Δｆ＝０）を示すための図である。

【符号の説明】

１・・・ LiTaO₃ ２・・・電極３・・・電界４・・・音叉
形振動子５・・・支持基板６・・・ピン７・・・銅線８・・・回路
基板９・・・緩衝材 10・・・検出
側アーム 11・・・駆動側アーム 12・・・ジャ
イロセンサ 13・・・オシロスコープ 14・・・サー
ボモータ 15・・・コントローラ 16・・・発振
器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋芳孝神奈川県秦野市室町２番44号富士通東和エレクトロン株式会社内 (72)発明者菊池一二神奈川県秦野市室町２番44号富士通東和エレクトロン株式会社内 (72)発明者山内基神奈川県秦野市室町２番44号富士通東和エレクトロン株式会社内 (72)発明者若月昇宮城県石巻市中里２−12−10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１及び第２のアームを含む音叉を有する
圧電体を用いた音叉形ジャイロであって、該第１及び第２のアームに形成する検出電極及び駆動電
極のアンバランスにより発生する電気機械的もれを該電
極のトリミングにより低減することを特徴とする音叉形
ジャイロの調整方法。
【請求項２】該音叉の厚さ方向に平行なＸ方向に振動す
るｆ_Xモードと、該音叉の厚さ方向に垂直なＹ方向に振
動する f_yモードの共振周波数を離し、該 f_Xモードの
共振周波数で駆動し、出力電圧の応答を観測して、出力
が０になるように該検出電極を調整することを特徴とす
る請求項１記載の音叉形ジャイロの調整方法。
【請求項３】該音叉の厚さ方向に平行なＸ方向に振動す
るｆ_Xモードと、該音叉の厚さ方向に垂直なＹ方向に振
動する f_yモードの共振周波数を離し、該 f_yモードの
共振周波数で駆動し、出力電圧の応答を観測して、出力
が０になるように該駆動電極を調整することを特徴とす
る請求項１記載の音叉形ジャイロの調整方法。
【請求項４】該音叉の厚さ方向に垂直なＹ方向に振動す
る f_yモードの電極アンバランスもれを除去するため、
該駆動電極または該検出電極の形成された該アームの側
面にダミー電極を形成し、該電極と接続することを特徴
とする請求項１記載の音叉形ジャイロの調整方法。