JPH10132573A - 屈曲振動圧電振動子及びその調整方法 - Google Patents
屈曲振動圧電振動子及びその調整方法Info
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- JPH10132573A JPH10132573A JP8305945A JP30594596A JPH10132573A JP H10132573 A JPH10132573 A JP H10132573A JP 8305945 A JP8305945 A JP 8305945A JP 30594596 A JP30594596 A JP 30594596A JP H10132573 A JPH10132573 A JP H10132573A
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- Japan
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- piezoelectric oscillator
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- vibration piezoelectric
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Abstract
(57)【要約】
【目的】屈曲振動圧電振動子を用いた角速度検出器にお
いて、より高精度で小型化した検出器の製造を目的とす
る。 【構成】屈曲振動圧電振動子の厚み方向の両側に、マス
ク板を設けて貼り合わせ一体構造にし、該屈曲振動圧電
振動子の圧電振動子のアーム部、中心部分に位置するマ
スク板に貫通穴を設け、このマスク板の貫通穴から質量
変動法により、屈曲振動圧電振動子の部分質量を表裏、
左右変化されることにより、元来持つ振動子自体の結晶
構造上、エッチング加工などによる製造問題上で発生す
る不安定な振動姿態を修正することで、極小形状ながら
安定した振動姿態で、確実な加速度の検出が得られた。
いて、より高精度で小型化した検出器の製造を目的とす
る。 【構成】屈曲振動圧電振動子の厚み方向の両側に、マス
ク板を設けて貼り合わせ一体構造にし、該屈曲振動圧電
振動子の圧電振動子のアーム部、中心部分に位置するマ
スク板に貫通穴を設け、このマスク板の貫通穴から質量
変動法により、屈曲振動圧電振動子の部分質量を表裏、
左右変化されることにより、元来持つ振動子自体の結晶
構造上、エッチング加工などによる製造問題上で発生す
る不安定な振動姿態を修正することで、極小形状ながら
安定した振動姿態で、確実な加速度の検出が得られた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】屈曲振動をする圧電振動子を
利用してコリオリの力により角速度を検出する角速度セ
ンサーに関する。
利用してコリオリの力により角速度を検出する角速度セ
ンサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】回転中心軸（Ｙ軸）に直角の方向たとえ
ばＸ軸に平行に振動している振動子がＹ軸を中心に回転
すると、Ｘ軸に直角なＺ軸方向にコリオリの力が生じＺ
軸方向にも振動をはじめる。このコリオリの力（Ｆｃ）
は１式で表されるように（回転）角速度に比例すること
から、屈曲振動のＸ軸方向の固有周波数ｆｘと、Ｚ軸方
向の固有周波数ｆｚを近似させておけば、コリオリの力
の撓み変位量として間接的に、圧電振動子の圧電効果に
よる電荷量変化や、相対する電極間の容量変化などを測
定することにより、振動子のＹ軸方向の回わりに作用し
た回転角速度の大きさを効率的に求めることができる。
ばＸ軸に平行に振動している振動子がＹ軸を中心に回転
すると、Ｘ軸に直角なＺ軸方向にコリオリの力が生じＺ
軸方向にも振動をはじめる。このコリオリの力（Ｆｃ）
は１式で表されるように（回転）角速度に比例すること
から、屈曲振動のＸ軸方向の固有周波数ｆｘと、Ｚ軸方
向の固有周波数ｆｚを近似させておけば、コリオリの力
の撓み変位量として間接的に、圧電振動子の圧電効果に
よる電荷量変化や、相対する電極間の容量変化などを測
定することにより、振動子のＹ軸方向の回わりに作用し
た回転角速度の大きさを効率的に求めることができる。
【０００３】Ｆｃ＝２ｍＶΩ ・・・・ １式 ただし、ｍ：質量 Ｖ：振動の速度 Ω：（回転）角速度 これらの特性を利用することで、振動する振動子を角速
度検出用素子として車両や航空機などに搭載し、その走
行あるいは飛行軌跡を記録したり、旋回時に発生するヨ
ーレイトを検出することが行われている。また、この角
速度検出素子をロボットに搭載して、その姿態制御など
にも適応することができる。
度検出用素子として車両や航空機などに搭載し、その走
行あるいは飛行軌跡を記録したり、旋回時に発生するヨ
ーレイトを検出することが行われている。また、この角
速度検出素子をロボットに搭載して、その姿態制御など
にも適応することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動式
の角速度センサは、（回転）角速度が「零」のときはコ
リオリの力が働かないため、Ｚ軸方向成分の電荷は
「零」となるはずだが、実際には製造過程に生ずる質量
バランスやＸ、Ｚ２方向の近似した固有振動数の関連に
よる縮退現象などにより、振動子がＸ軸に対しある角度
をもって振動するため、Ｚ軸方向成分の振動が発生し、
その電荷を「零」にすることが難しい。
の角速度センサは、（回転）角速度が「零」のときはコ
リオリの力が働かないため、Ｚ軸方向成分の電荷は
「零」となるはずだが、実際には製造過程に生ずる質量
バランスやＸ、Ｚ２方向の近似した固有振動数の関連に
よる縮退現象などにより、振動子がＸ軸に対しある角度
をもって振動するため、Ｚ軸方向成分の振動が発生し、
その電荷を「零」にすることが難しい。
【０００５】これを「振動のもれ」と呼んでいる。本来
なら、Ｘ軸方向に平行な励振振動をさせる必要がある
が、振動子に構成される励振電極配置（精度：位置、大
きさ、形成量）や、素子形状（加工精度：エッチング加
工、機械加工）、結晶構造、結晶欠陥（不純物他）など
の製造技術的な理由による振動子質量アンバランスや、
感度を良くするためＸ、Ｚ軸２方向の振動周波数を近似
させることによる振動系の縮退現象により、振動子の振
動方向がＸ軸方向からずれる現象により、Ｚ軸方向成分
の振動が発生し、これが「振動のもれ」の原因となる。
なら、Ｘ軸方向に平行な励振振動をさせる必要がある
が、振動子に構成される励振電極配置（精度：位置、大
きさ、形成量）や、素子形状（加工精度：エッチング加
工、機械加工）、結晶構造、結晶欠陥（不純物他）など
の製造技術的な理由による振動子質量アンバランスや、
感度を良くするためＸ、Ｚ軸２方向の振動周波数を近似
させることによる振動系の縮退現象により、振動子の振
動方向がＸ軸方向からずれる現象により、Ｚ軸方向成分
の振動が発生し、これが「振動のもれ」の原因となる。
【０００６】本来、Ｘ軸に沿って振動している振動子が
Ｙ軸の回りに回転すると、振動子にＺ軸方向に発生する
コリオリの力の大きさにより角速度の大きさの検出が行
えるものが、振動子の振動方向がずれるために発生する
「振動のもれ」による電荷量の変動（温度依存による変
動など）で、角速度検出時に振動子のＺ軸方向に生じる
電荷量がコリオリの力とは無関係に変化し、検出される
回転角速度に誤差が生じるなどの課題がある。
Ｙ軸の回りに回転すると、振動子にＺ軸方向に発生する
コリオリの力の大きさにより角速度の大きさの検出が行
えるものが、振動子の振動方向がずれるために発生する
「振動のもれ」による電荷量の変動（温度依存による変
動など）で、角速度検出時に振動子のＺ軸方向に生じる
電荷量がコリオリの力とは無関係に変化し、検出される
回転角速度に誤差が生じるなどの課題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】以上のような振動式角速
度センサにおいて、その素子としてＨ型屈曲振動圧電振
動子を例としたとき、「振動のもれ」といった課題を解
決するのに、質量調整法を考慮する（質量を付加、質量
を除去）とき、「振動のもれ」に対し、本来の正規振動
に限りなく近づけるよう補正するために、振動姿態に最
も大きく影響するＨ型屈曲振動圧電振動子のアームに対
し、限極性に前記のような質量調整法を用いるのは、振
動子自体が極小のために難しく実質上の製造が困難であ
る。
度センサにおいて、その素子としてＨ型屈曲振動圧電振
動子を例としたとき、「振動のもれ」といった課題を解
決するのに、質量調整法を考慮する（質量を付加、質量
を除去）とき、「振動のもれ」に対し、本来の正規振動
に限りなく近づけるよう補正するために、振動姿態に最
も大きく影響するＨ型屈曲振動圧電振動子のアームに対
し、限極性に前記のような質量調整法を用いるのは、振
動子自体が極小のために難しく実質上の製造が困難であ
る。
【０００８】本発明では、屈曲振動圧電振動子自体が極
小の形状であるため、限極部分に質量調整法などの処置
ができない現状の課題に対し、それを可能とするために
限極した特定部分に一致して貫通穴をあけたマスク板
を、屈曲振動圧電振動子表面に（励振、検出の）電極を
形成した後その厚み方向（Ｚ軸）に接着剤などで貼り合
わせて一体化する。
小の形状であるため、限極部分に質量調整法などの処置
ができない現状の課題に対し、それを可能とするために
限極した特定部分に一致して貫通穴をあけたマスク板
を、屈曲振動圧電振動子表面に（励振、検出の）電極を
形成した後その厚み方向（Ｚ軸）に接着剤などで貼り合
わせて一体化する。
【０００９】そして、振動姿態あるいは、Ｚ軸方向（検
出電極）のもれ出力を確認しながら「振動のもれ」が無
くなるまでマスク板のそれぞれの貫通穴を介し、それぞ
れのアームに対して、独立的に調整する質量調整法を実
現する構造にしたことを特徴とする。この調整には質量
を付加する蒸着法や、質量を減じるレーザトリミング
法、またはドライエッチング法などを適用する。
出電極）のもれ出力を確認しながら「振動のもれ」が無
くなるまでマスク板のそれぞれの貫通穴を介し、それぞ
れのアームに対して、独立的に調整する質量調整法を実
現する構造にしたことを特徴とする。この調整には質量
を付加する蒸着法や、質量を減じるレーザトリミング
法、またはドライエッチング法などを適用する。
【００１０】
【実施例】以下、添付図面に従ってこの発明の実施例を
説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象
を示すものとする。図１は本発明における屈曲振動圧電
振動子の代表例として音叉型屈曲振動圧電振動子を示す
斜視図である。音叉型屈曲振動圧電振動子に図示されて
いないが励振と検出電極を備えた屈曲振動圧電振動子３
の厚み方向（Ｚ軸方向）の両側に、屈曲振動圧電振動子
３の支持部１でマスク板４が接着剤２で貼り合わされ一
体構造となっている。
説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象
を示すものとする。図１は本発明における屈曲振動圧電
振動子の代表例として音叉型屈曲振動圧電振動子を示す
斜視図である。音叉型屈曲振動圧電振動子に図示されて
いないが励振と検出電極を備えた屈曲振動圧電振動子３
の厚み方向（Ｚ軸方向）の両側に、屈曲振動圧電振動子
３の支持部１でマスク板４が接着剤２で貼り合わされ一
体構造となっている。
【００１１】屈曲振動圧電振動子３は厚み方向（Ｚ軸方
向）の両側に貼り合わされたマスク板４とは一定の隙間
Ｇ（約０．１ｍｍ程度）を保った構造を成し、屈曲振動
圧電振動子３の励振を妨げることはない。要するに、マ
スク板４と屈曲振動圧電振動子３の支持部１とを貼り合
わせ一体とする場合に間隔Ｇが存在するように、マスク
板４にはマスク板４の接着面８と貫通穴５のある面との
厚みに段差がある形状になっている。なお、段差は屈曲
振動圧電振動子側にあっても同様の構造が得られる。
向）の両側に貼り合わされたマスク板４とは一定の隙間
Ｇ（約０．１ｍｍ程度）を保った構造を成し、屈曲振動
圧電振動子３の励振を妨げることはない。要するに、マ
スク板４と屈曲振動圧電振動子３の支持部１とを貼り合
わせ一体とする場合に間隔Ｇが存在するように、マスク
板４にはマスク板４の接着面８と貫通穴５のある面との
厚みに段差がある形状になっている。なお、段差は屈曲
振動圧電振動子側にあっても同様の構造が得られる。
【００１２】本発明ではエッチング加工などで、マスク
板４の接着面８と貫通穴５のある面とに段差をつけたマ
スク板４を用いているが、間隔Ｇを保つためのマスク板
４の段差の代わりに、同様の厚みのスペーサを介して接
着しても構わない。なお、屈曲振動圧電振動子３の厚み
方向（Ｚ軸方向）に貼り合わされたマスク板４には、屈
曲振動圧電振動子３のアーム部７に位置する箇所に貫通
穴５が設けられている。
板４の接着面８と貫通穴５のある面とに段差をつけたマ
スク板４を用いているが、間隔Ｇを保つためのマスク板
４の段差の代わりに、同様の厚みのスペーサを介して接
着しても構わない。なお、屈曲振動圧電振動子３の厚み
方向（Ｚ軸方向）に貼り合わされたマスク板４には、屈
曲振動圧電振動子３のアーム部７に位置する箇所に貫通
穴５が設けられている。
【００１３】このマスク板４の貫通穴５からは、図４
（図４には蒸着法により質量を付加する例）に示すよう
に、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６とマスク板４とを間隔Ｇ
を設けて貼り合わせ一体にした状態で、Ｈ型屈曲振動圧
電振動子６のアーム部７の表裏、左右にＨ型屈曲振動圧
電振動子６の厚み方向であるＺ軸方向から、Ｈ型屈曲振
動圧電振動子６の励振電極と同一の金属材料を独立して
蒸着することにより、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６のアー
ム部７に質量がバランスするように付加する（質量調整
法）ことにより、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６の振動姿態
を修正することができる。
（図４には蒸着法により質量を付加する例）に示すよう
に、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６とマスク板４とを間隔Ｇ
を設けて貼り合わせ一体にした状態で、Ｈ型屈曲振動圧
電振動子６のアーム部７の表裏、左右にＨ型屈曲振動圧
電振動子６の厚み方向であるＺ軸方向から、Ｈ型屈曲振
動圧電振動子６の励振電極と同一の金属材料を独立して
蒸着することにより、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６のアー
ム部７に質量がバランスするように付加する（質量調整
法）ことにより、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６の振動姿態
を修正することができる。
【００１４】図４に描画されるＨ型屈曲振動圧電振動子
６の左右から、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６と一体をなす
マスク板４にあけられた貫通穴５１、５２、５３から個
々別々に蒸着することにより、質量バランスの調整を行
うことができる。
６の左右から、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６と一体をなす
マスク板４にあけられた貫通穴５１、５２、５３から個
々別々に蒸着することにより、質量バランスの調整を行
うことができる。
【００１５】従って、図示されてはいないが、Ｈ型屈曲
振動圧電振動子６と一体をなすマスク板４の貫通穴５か
ら蒸着する場合は、励振状態において「振動のもれ」に
相当する電荷を検出しながらこの値が最小の「零」にな
るよう、各々の貫通穴５（５１、５２、５３）は単独に
区切られた雰囲気で蒸着がなされている。なお、図３と
図４から分かるように貫通穴５は、Ｈ型屈曲振動圧電振
動子６に対して、左右、表裏に貫通穴があいている。
振動圧電振動子６と一体をなすマスク板４の貫通穴５か
ら蒸着する場合は、励振状態において「振動のもれ」に
相当する電荷を検出しながらこの値が最小の「零」にな
るよう、各々の貫通穴５（５１、５２、５３）は単独に
区切られた雰囲気で蒸着がなされている。なお、図３と
図４から分かるように貫通穴５は、Ｈ型屈曲振動圧電振
動子６に対して、左右、表裏に貫通穴があいている。
【００１６】図３の平面図に示すように、マスク板４に
あけられた貫通穴５は、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６に質
量調整法として蒸着する金属材料で質量を付加する効果
を最大限に引き出すために、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６
の励振振幅が最も大きく振れるＨ型屈曲振動圧電振動子
６のアーム部７の先端部を中心に、マスク板４にあけら
れた貫通穴５から金属材料を蒸着するが、Ｈ型屈曲振動
圧電振動子６の振動姿態の全体的なバランスを考慮し、
Ｈ型屈曲振動圧電振動子６のアーム部７以外にも金属材
料が蒸着できるようにマスク板４には貫通穴５があけら
れている。
あけられた貫通穴５は、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６に質
量調整法として蒸着する金属材料で質量を付加する効果
を最大限に引き出すために、Ｈ型屈曲振動圧電振動子６
の励振振幅が最も大きく振れるＨ型屈曲振動圧電振動子
６のアーム部７の先端部を中心に、マスク板４にあけら
れた貫通穴５から金属材料を蒸着するが、Ｈ型屈曲振動
圧電振動子６の振動姿態の全体的なバランスを考慮し、
Ｈ型屈曲振動圧電振動子６のアーム部７以外にも金属材
料が蒸着できるようにマスク板４には貫通穴５があけら
れている。
【００１７】前述するように、屈曲振動圧電振動子３
（Ｈ型屈曲振動圧電振動子６）とマスク板４を貼り合わ
せるには直接接合でよいが、接着をするのであればその
接着剤材料は、導電性接着剤でも非導通性の接着剤でも
関係なく、接着剤の種類に関してもエポキシ系その他何
を用いても構わない。
（Ｈ型屈曲振動圧電振動子６）とマスク板４を貼り合わ
せるには直接接合でよいが、接着をするのであればその
接着剤材料は、導電性接着剤でも非導通性の接着剤でも
関係なく、接着剤の種類に関してもエポキシ系その他何
を用いても構わない。
【００１８】また、励振電極や質量付加に用いる金属材
料は金、銀、アルミなど材料の制限はない。なお、屈曲
振動圧電振動子３とマスク板４の一体構造で質量バラン
ス付加のための金属蒸着を行った後、両者を分離せず一
体構造のままで屈曲振動圧電振動子として使用するもの
であり、Ｈ型圧電振動子の他に、形状が音叉型圧電振動
子の場合においても同様の構造が考えられる。
料は金、銀、アルミなど材料の制限はない。なお、屈曲
振動圧電振動子３とマスク板４の一体構造で質量バラン
ス付加のための金属蒸着を行った後、両者を分離せず一
体構造のままで屈曲振動圧電振動子として使用するもの
であり、Ｈ型圧電振動子の他に、形状が音叉型圧電振動
子の場合においても同様の構造が考えられる。
【００１９】本実施例で前述するマスク板４の材質は、
圧電素板、ガラス板、金属板などが考えられるが、屈曲
振動圧電振動子に直接貼り合わせて一体にすることか
ら、振動姿態の温度変化を考慮すると、屈曲振動圧電振
動子と同一材料で同一結晶方向で加工された圧電素板を
用いることが最良である。
圧電素板、ガラス板、金属板などが考えられるが、屈曲
振動圧電振動子に直接貼り合わせて一体にすることか
ら、振動姿態の温度変化を考慮すると、屈曲振動圧電振
動子と同一材料で同一結晶方向で加工された圧電素板を
用いることが最良である。
【００２０】
【発明の効果】本発明により振動子自体の結晶構造や、
加工精度不良、振動の縮退現象により起こる振動姿態の
不安定要素を、完全な振動姿態に修正し補正すること
で、振動式角速度センサの一番の弱点である「振動のも
れ」対策がなされ、検出精度、感度の向上と製造歩留ま
りの向上が実現できた。従って、品質の向上と安定した
諸特性の獲得並びに小型化の実現も行うことができた。
加工精度不良、振動の縮退現象により起こる振動姿態の
不安定要素を、完全な振動姿態に修正し補正すること
で、振動式角速度センサの一番の弱点である「振動のも
れ」対策がなされ、検出精度、感度の向上と製造歩留ま
りの向上が実現できた。従って、品質の向上と安定した
諸特性の獲得並びに小型化の実現も行うことができた。
【図１】本発明の屈曲振動圧電振動子とマスク板構造を
示す斜視図である。
示す斜視図である。
【図２】本発明の他の振動子の形態として、Ｈ型屈曲振
動圧電振動子を用いた構造を示す斜視図である。
動圧電振動子を用いた構造を示す斜視図である。
【図３】本発明で貫通穴を説明するためにＨ型屈曲振動
圧電振動子とマスク板を組み合わせた平面図である。
圧電振動子とマスク板を組み合わせた平面図である。
【図４】本発明の質量バランスのための蒸着概念の一例
を示したＨ型屈曲振動圧電振動子の側面図である。
を示したＨ型屈曲振動圧電振動子の側面図である。
１ 支持部 ２ 接着剤 ３ 屈曲振動圧電振動子 ４ マスク板 ５ 貫通穴 ６ Ｈ型屈曲振動圧電振動子 ７ アーム部
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｙ軸方向を長手方向、Ｚ軸方向に厚み寸
法を持ち励振電極を備えた屈曲振動圧電振動子におい
て、 該屈曲振動圧電振動子の厚み方向（Ｚ軸方向）の両側に
該屈曲振動圧電振動子の支持部とマスク板とを間隔を設
けて貼り付け一体にし、該マクス板の該屈曲振動圧電振
動子各アーム部の位置する場所に貫通穴があることを特
徴とする屈曲振動圧電振動子。 - 【請求項２】 Ｙ軸方向に長手方向、Ｚ軸方向に厚み寸
法を持ち励振電極を備えた屈曲振動圧電振動子におい
て、 該屈曲振動圧電振動子の厚み方向（Ｚ軸方向）の両側に
該屈曲振動圧電振動子の支持部とマスク板とを間隔を設
けて貼り付け一体にし、該マクス板の該屈曲振動圧電振
動子の各アーム部と位置する場所の貫通穴から、該屈曲
振動圧電振動子の表裏、左右を別々に部分蒸着、または
トリミングを行うことにより該屈曲振動圧電振動子のそ
れぞれのアーム及びアーム間の質量バランスをとること
を特徴とする屈曲振動圧電振動子の調整方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8305945A JPH10132573A (ja) | 1996-10-31 | 1996-10-31 | 屈曲振動圧電振動子及びその調整方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8305945A JPH10132573A (ja) | 1996-10-31 | 1996-10-31 | 屈曲振動圧電振動子及びその調整方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10132573A true JPH10132573A (ja) | 1998-05-22 |
Family
ID=17951197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8305945A Pending JPH10132573A (ja) | 1996-10-31 | 1996-10-31 | 屈曲振動圧電振動子及びその調整方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10132573A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2006003963A1 (ja) | 2004-07-01 | 2006-01-12 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 角速度センサ及びその製造方法 |
| WO2010050967A1 (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-06 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Compensating frequency mismatch in gyroscopes |
| US10001373B2 (en) | 2014-10-29 | 2018-06-19 | Seiko Epson Corporation | Resonator element, electronic device, electronic apparatus, and moving object |
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-
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- 1996-10-31 JP JP8305945A patent/JPH10132573A/ja active Pending
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