KR20070049250A - 진동형 자이로스코프 및 진동형 자이로스코프의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
질량의 제거 장치를 이용하여 제거할 수 있는 최저 제거량을 가변하고, 각각의 고유 공진 주파수의 조조정과 미조정을 행할 수 있는, 진동형 자이로스코프 및 진동형 자이로스코프의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 진동형 자이로스코프의 압전 진동편(10)은, 베이스부(12)로부터 상반되는 방향으로 연장된 연결 아암(13, 14)과, 연결 아암(13, 14)의 각각의 선단에 연결 아암(13, 14)과 직교하는 방향으로 연장된 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)과, 베이스부(12)로부터 연결 아암(13, 14)과 직교하는 방향으로 연장된 검출 아암(16A, 16B)이 형성되어 있다. 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D) 및 검출 아암(16A, 16B)의 각각의 선단부에는 추층(18, 20)과 전극막(17)으로 형성된 질량 조정용 조정부인 제1 추부(19)와 제2 추부(23)가 형성되어 있다.
Description
본 발명은 압전 진동편을 탑재하고, 이 압전 진동편에 가해지고 있는 회전의 회전 각속도를 검출하기 위한 진동형 자이로스코프 및 진동형 자이로스코프의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 회전 각속도를 검출하기 위한 각속도 센서로서 압전 진동편을 이용한 진동형 자이로스코프가 VTR, 스틸 카메라의 손 흔들림의 검출 등에 이용되고 있다. 이 진동형 자이로스코프의 일례를 도면을 이용하여 설명한다. 도 8은, 종래의 진동형 자이로스코프의 압전 진동편의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 압전 진동편(100)의 주 아암(102)에 있어서는 베이스부(103)가 고정부(101)로부터 수직으로 신장되어 있고, 베이스부(103)의 한 쪽의 단부(103a)가 고정부(101)에 고정되어 있다. 베이스부(103)에는 검출부(105a, 105b)가 설치되어 있다. 베이스부(103)의 다른 쪽의 단부(103b)측에는 베이스부(103)에 대해서 수직 방향으로 신장되는 2개의 구동부인 굴곡 진동편(104a, 104b)이 설치되어 있다. 굴곡 진동편(104a, 104b)에는 여진부(106a, 106b, 106c, 106d)가 설치되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1).
압전 진동편(100)의 동작에 대해 설명한다. 여진부(106a, 106b, 106c, 106d)에 대해서 구동 전압을 인가하면, 굴곡 진동편(104a, 104b)은 각각 화살표 A, 화살표 B의 방향으로 굴곡 진동한다. 이 때 압전 진동편(100)이 X－Y 평면 내에서 화살표 ω의 방향으로 회전하면, 각 압전 진동편(104a, 104b)에 코리올리힘이 가해지고, 그 코리올리힘이 베이스부(103)에 전해진다. 이것에 의해서, 베이스부(103)가 접속 부분(126)을 중심으로 하여 화살표 D의 방향으로 굴곡 진동한다. 이 베이스부(103)의 굴곡 진동을 검출부(105a, 105b)에서 검출하고, 검출한 굴곡 진동에 따른 신호를 출력함으로써 회전 각속도를 검출한다.
또한, 진동형 자이로스코프에서는 측정 감도를 양호하게 하기 위해서 굴곡 진동편(104a, 104b)의 고유 공진 주파수와 검출부인 베이스부(103)의 고유 공진 주파수 사이에 일정한 진동 주파수 차이(이하, 「디튜닝(離調) 주파수」라고 함)를 갖는 것이 요구되고 있다. 또한, 진동형 자이로스코프에서는 각각의 굴곡 진동편(104a, 104b)의 고유 공진 주파수의 차이(언밸런스)에 의해서 발생하는 굴곡 진동의 베이스부로의 누설 전파를 방지하기 위해서 굴곡 진동편(104a, 104b)의 고유 공진 주파수를 맞춘다. 이들의 고유 공진 주파수의 조정은 베이스부(103) 및 굴곡 진동편(104a, 104b)의 질량을 변화시킴으로써 행한다.
예를 들어, 도 8에 나타내는 압전 진동편(100)에서는 베이스부(103)의 다른 쪽의 단부(103b)측에 굴곡 진동편(104a, 104b)으로부터 돌출하는 돌출부(135)가 설치되어 있다. 그리고, 돌출부(135)의 일부분(137)으로부터 질량을 제거하는 가공을 실시함으로써 베이스부(103)의 고유 공진 주파수를 변화시킨다. 또한, 각각의 굴곡 진동편(104a, 104b)의 각 선단측의 일부분(136a, 136b)으로부터 질량을 제거하는 가공을 실시함으로써, 각각의 굴곡 진동편(104a, 104b)의 고유 공진 주파수를 각각 독립하여 변화시킨다. 이들 질량의 제거 가공은, 예를 들어, 압전 진동편(100)의 표면에 형성된 박막을 레이저의 조사에 의해서 제거하는 등으로 행해진다.
[특허 문헌 1] 일본 공개특허공보 평 11－72334호
그러나, 전술과 같은 질량의 제거 가공에서는 압전 진동편(100)의 표면에 형성된 박막의 두께가 거의 균일하게 형성되고 있는 것, 또한 레이저 조사 직경도 균일한 것으로부터, 1발의 레이저 조사에 의해 제거되는 박막의 질량은 거의 일정해진다. 여기서 필요해지는 질량의 변화량은 압전 진동편의 제조의 불균일 등에 의해서 압전 진동편마다 다르고, 큰 질량 변화가 필요하게 되는 경우도 많다. 이와 같이, 큰 질량 변화를 원하는 경우에는 큰 면적의 박막을 제거하면 가능하지만, 큰 면적을 가공하기 때문에 가공 시간이 길어지거나, 혹은, 큰 가공 면적이 필요하기 때문에 압전 진동편의 소형화를 저해한다. 이들에 대응하기 위해서, 제거부의 박막의 두께를 두껍게 하여 1발의 레이저 조사에 의한 제거량을 많게 하는 것이 이용되지만, 반면, 레이저 조사 1발의 질량 제거량 이하의 미세한 질량의 제거는 불가능해지고, 최종적으로 필요해지는 미(微)조정이 곤란하였다. 바꾸어 말하면, 큰 고유 공진 주파수의 조정과 미세한 고유 공진 주파수의 조정을 동시에 행하는 것이 곤란하다는 문제를 갖고 있었다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 질량의 제거 장치를 이용하여 제거할 수 있는 최저 제거량을 가변하고, 각각의 고유 공진 주파수의 조(粗)조정과 미(微)조정을 행할 수 있는 진동형 자이로스코프 및 진동형 자이로스코프의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 진동형 자이로스코프는 압전 진동편에 가해지는 회전의 회전 각속도를 검출하는 진동형 자이로스코프로서, 상기 압전 진동편은 베이스부와, 상기 베이스부로부터 연장된 지지 빔을 통하여 설치되고 소정의 진동을 행하는 구동부와, 상기 베이스부로부터 상기 구동부와 동일 평면 내에 연장되고 상기 구동부의 회전에 수반하는 코리올리힘에 의해서 생긴 검출 진동을 검출하는 검출부와, 상기 구동부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 압전 진동편의 특성 조정용 제1 추부와, 상기 검출부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 압전 진동편의 특성 조정용 제2 추부를 가지고, 상기 제1 추부 및 제2 추부의 적어도 한 쪽이 단위면적 당 질량이 상이한 복수의 조정부로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 진동형 자이로스코프에 의하면, 제1 추부와 제2 추부의 적어도 한 쪽에 단위면적 당 질량이 상이한 적어도 2개의 조정부가 형성되어 있다. 이것에 의해, 질량을 크게 변화시키고자 하는 경우(조조정)에는, 단위면적 당 질량이 큰 조정부를 제거하고, 미세한 변화를 원하는 경우(미조정)에는, 단위면적 당 질량이 작은 조정부를 제거할 수 있다. 즉, 질량의 조정은, 먼저, 단위면적 당 질량이 큰 조정부에서 단시간에 큰 질량 변화를 행하고, 계속해서 단위면적 당 질량이 작은 조정부에서 미세한 최종 조정을 행하는 것이 가능해진다. 따라서, 조정부의 면적을 크게 하지 않고, 또한 가공 시간을 길게 하지 않고 하나의 추부 안에서 조조정과 미조정을 행하는 것이 가능해진다. 바꾸어 말하면, 각각의 고유 공진 주파수의 조조정과 미조정을 하나의 비교적 작은 면적의 조정부에서 간단하게 행할 수 있는 진동형 자이로스코프를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 제1 추부의 질량은 상기 제2 추부의 질량보다 작게 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 비교적 큰 질량의 조정이 필요한 검출부의 조정은 단위면적 당 질량이 큰 조정부에서 행하고, 비교적 작은 질량의 조정이 필요한 구동부의 조정은 단위면적 당 질량이 작은 조정부에서 행하는 것이 가능해진다. 즉, 조정에 필요로 하는 시간을 줄일 수 있어 보다 효율적인 질량 조정을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 조정부는 상기 구동부 및 상기 검출부 중 상기 조정부가 형성된 것에 대해, 상기 구동부에 있어서는 상기 구동부의 연장 방향과 대략 직교하는 방향의 모든 영역에 걸쳐서 형성되고, 상기 검출부에 있어서는 상기 검출부의 연장 방향과 대략 직교하는 방향의 모든 영역에 걸쳐서 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 조정부를 형성할 때에 생기는 구동부와 검출부의 각각의 선단을 향하는 방향과 대략 직교하는 방향(이하, 「폭 방향」이라고 함)의 형성 위치의 어긋남을 고려하여 조정부의 크기를 설정할 수 있다. 즉, 조정부의 폭 치수를 구동부와 검출부의 폭 방향 치수보다 크게 설정함으로써 형성의 위치 어긋남이 발생해도, 조정부는 항상 구동부, 또는 검출부의 폭 방향의 전체 영역에 걸쳐 형성된다. 이것에 의해, 조정부의 형성의 위치 어긋남에 의해 조정부의 한쪽 단이 구동부 또는 검출부의 폭 방향으로부터 벗어나거나, 다른 단이 구동부 또는 검출부의 내측에 들어가는 것에 의한 조정부의 질량의 불균일을 방지하는 것이 가능해진다. 바꾸어 말하면, 조정부 및 구동부의 고유 공진 주파수의 불균일을 작게 하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 제1 추부 및 제2 추부의 적어도 한 쪽이 두께가 상이한 복수의 조정부로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 제1 추부와 제2 추부의 적어도 한 쪽에 두께가 상이한 적어도 2개의 조정부가 형성되어 있다. 이것에 의해, 질량을 크게 변화시키고자 하는 경우(조조정)에는 두께가 큰 조정부를 제거하고, 미세한 변화를 원하는 경우(미조정)에는 두께가 작은 조정부를 제거할 수 있다. 즉, 질량의 조정은 두께가 큰 조정부에서 단시간에 큰 질량 변화를 이루고, 계속해서 두께가 작은 조정부에서 미세한 최종 조정을 행하는 것이 가능해진다. 따라서, 조정부의 면적을 크게 하지 않고, 또한 가공 시간을 길게 하지 않고 하나의 추부 안에서 조조정과 미조정을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 제1 추부의 조정부와, 상기 제2 추부의 조정부가 동일한 금속을 이용하여 동일한 두께로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 제1 추부의 조정부와 제2 추부의 조정부를 동일한 형성 공정에 의해서 형성할 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 추부의 조정부와 제2 추부의 조정부의 형성을 효율적으로 행하는 것이 가능해지고, 보다 낮은 제조 비용의 진동형 자이로스코프를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 두께가 상이한 복수의 조정부는 상기 구동부, 또는 상기 검출부의 선단에 가까운 쪽의 상기 조정부의 두께가 다른 조정부의 두께보다 두껍게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 질량 변화의 영향을 받기 쉬운 대략 선단 부분의 조정부의 두께가 두껍기 때문에 조조정을 보다 효율적으로 행하는 것이 가능해진다. 또한, 비교적 질량 변화의 영향을 받기 어려운 다른 부분에 두께가 작은 조정부를 형성함으로써, 미조정을 행하기 쉽게 하는 것이 가능해진다.
또한, 지지기와, 상기 지지기에 실장된 전술의 압전 진동편을 갖는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 지지기와, 상기 지지기에 실장된 전술의 압전 진동편과, 상기 지지기에 실장되고 적어도 상기 압전 진동편을 구동하는 회로를 갖는 회로 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프를 제공하는 것도 가능해진다.
본 발명의 진동형 자이로스코프의 제조 방법은, 베이스부와, 상기 베이스부로부터 동일 평면 내에 연장된 지지 빔을 통하여 설치되고, 소정의 진동을 행하는 구동부와, 상기 베이스부로부터 동일 평면 내에 연장되고, 상기 구동부의 회전에 수반하는 코리올리힘에 의해서 생긴 검출 진동을 검출하는 검출부를 갖는 압전 진동편을 구비한 진동형 자이로스코프의 제조 방법으로서, 외형 형상이 형성된 상기 압전 진동편의 표면에 전극막을 형성하는 공정과, 상기 검출부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 전극막의 표면 및 상기 구동부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 전극막의 표면의 일부에 조정부로서의 추층을 형성하는 공정과, 상기 검출부의 대략 선단 부분에 형성된 적어도 상기 추층을 제거하여 상기 검출부의 고유 공진 주파수를 조정하는 공정과, 상기 구동부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 추층을 제거하여 상기 구동부의 고유 공진 주파수의 조조정을 행하고, 상기 구동부의 대략 선단부의 상기 전극막을 제거하여 상기 구동부의 고유 공진 주파수의 미조정을 행하는 공정를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 진동형 자이로스코프의 제조 방법에 의하면, 제1 추부와 제2 추부의 추층을 동시에 형성할 수 있기 때문에 추층을 형성하는 공정을 줄이는 것이 가능해지고 제조 공정수를 줄일 수 있다. 또한, 큰 고유 공진 주파수의 조정이 필요한 검출부는 추부를 제거함으로써 단시간에 조정하고, 미조정이 필요한 구동부는 추부를 제거하는 것에 의한 조조정과 전극막을 제거하는 것에 의한 미조정을 차례로 행함으로써 단시간으로, 미세한 조정을 행하고, 원하는 고유 공진 주파수에 맞추는 것이 가능해진다. 즉, 정밀도가 좋은 진동형 자이로스코프를 저비용으로 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은 제1 실시 형태의 진동형 자이로스코프의 압전 진동편의 개략을 나타내는 평면도이다.
도 2는 압전 진동편의 구동 진동을 모식적으로 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 압전 진동편의 검출 진동을 모식적으로 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 조정부의 레이저 가공을 나타내는 모식적인 평면도이다.
도 5는 (a)~(c)는 추층의 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 6은 제2 실시 형태의 진동형 자이로스코프의 개략을 나타내는 정단면도이다.
도 7은 (a)~(f)는 제3 실시 형태의 진동형 자이로스코프의 압전 진동편의 개략의 제조 공정을 나타내는 공정 설명도로서, 좌열은 구동 아암의 선단 부근의 정면도, 우열은 검출 아암의 선단 부근의 정면도이다.
도 8은 종래의 진동형 자이로스코프의 압전 진동편을 나타내는 평면도이다.
본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 최선의 형태에 대해서, 이하에 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 본 발명은 후술의 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시 형태의 진동형 자이로스코프의 압전 진동편의 개략을 나타내는 평면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 압전 진동편(10)은 XY 평면 내에 형성된다. 제1 실시 형태에서는, 압전 진동편(10)은 수정으로 형성되고, 전기축이라 불리는 X축, 기계축이라 불리는 Y축 및 광학축이라 불리는 Z축의, X축과 Y축의 평면 방향으로 잘라진 Z컷의 수정 기판이다. 압전 진동편(10)은 소정의 두께의 수정 기판으로 형성되어 있다. 압전 진동편(10)의 평면 형상은 수정의 결정 축에 맞추어 XY 평면에 전개되고, 중심점 G에 대해서 180° 점 대칭의 형상을 하고 있다. 중심점 G는 압전 진동편(10)의 중심 위치이다. 또한, 도 1에서는 도시하지 않지만, 압전 진동 편(10)의 표면에는 소정의 전극이 형성되어 있다.
압전 진동편(10)에는 X축 방향과 Y축 방향으로 각각 평행한 단면을 갖는 직사각형상의 베이스부(12)가 형성되어 있다. 베이스부(12)에는 베이스부(12)의 Y축에 평행한 2단면의 중앙으로부터 X축에 평행한 방향으로 연장되는 지지 빔으로서의 두 개의 연결 아암(13, 14)이 형성되어 있다. 또한, 베이스부(12)에는 베이스부(12)의 X축에 평행한 2단면의 중앙으로부터 Y축에 평행한 방향으로 연장되는 검출부로서, Y축 플러스 방향으로 검출 아암(16A)과 Y축 마이너스 방향으로 검출 아암(16b)이 형성되어 있다. 연결 아암(13, 14)의 각각의 선단에는 연결 아암(13)에 직교하는 방향으로 연장하는 1쌍의 구동 아암이 형성되어 있다. 연결 아암(13)의 선단에는 Y축 플러스 방향으로 구동 아암(15A)과 Y축 마이너스 방향으로 구동 아암(15B)이 연장되어 있다. 또한, 연결 아암(14)의 선단에는 Y축 플러스 방향으로 구동 아암(15C)과 Y축 마이너스 방향으로 구동 아암(15D)이 연장되어 있다.
구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 선단부에는 광폭 형상의 제1 추부(19)가 형성되어 있다. 제1 추부(19)에는 조정부로서의 전극막(17)과 전극막(17)의 표면에 형성된 추층(18)이 형성되어 있다. 또한, 추층(18)은 전극막(17)과 비교하여 두께가 두꺼워지도록 형성되어 있다. 또한, 추층(18)은 제1 추부(19)의 폭 방향(X 방향)으로 폭 전체 설치되어 있고, 본 예에서는 제1 추부(19)의 선단측의 거의 절반의 영역에 형성되어 있다. 따라서, 제1 추부(19)는 면적의 거의 절반을 전극막(17)이 차지하고, 나머지 절반을 추층(18)이 차지하고 있게 된다. 또한, 추층(18)은, 예를 들어 금, 은 등의 금속을 진공 증착법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
검출 아암(16A, 16B)의 선단부에는 제1 추부(19)보다 폭이 넓게 설정된 광폭 형상의 제2 추부(23)가 형성되어 있다. 폭을 넓게 함으로써 제2 추부(23)의 면적을 넓게 할 수 있고, 제거할 수 있는 질량을 크게 하는 것이 가능해진다. 제2 추부(23)에는 조정부로서의 전극막(17)과 전극막(17)의 표면에 형성된 추층(20)이 형성되어 있다. 추층(20)은 전극막(17)과 비교하여 두께가 두꺼워지도록 형성되어 있다. 또한, 추층(20)은 제2 추부(23)의 폭 방향(X 방향)으로 폭 전체 설치되어 있고, 본 예에서는 제2 추부(23)의 대부분의 영역을 차지하도록 형성되어 있다. 따라서, 제2 추부(23)는 면적의 거의 모든 영역을 추층(20)이 차지하고 나머지의 약간의 부분을 전극막(17)이 차지하고 있다. 또한, 추층(20)은 제1 추층과 동일하게, 예를 들어 금, 은 등의 금속을 진공 증착법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)은 소정의 공진 주파수의 구동 진동이 발생 하도록 폭이나 길이 등의 치수가 설정되어 있다. 또한, 검출 아암(16A, 16B) 및 연결 아암(13, 14)은 소정의 공진 주파수의 검출 진동이 발생하도록 폭이나 길이 등의 치수가 설정되어 있다.
계속해서, 압전 진동편(10)의 진동 동작에 대해 설명한다. 도 2 및 도 3은 본 제1 실시 형태의 압전 진동편(10)의 동작을 모식적으로 설명하기 위한 평면도이다. 도 2, 도 3에 있어서는 진동 형태를 알기 쉽게 표현하기 위해서 각 진동 아암은 간략화하여 선으로 나타내고 있다. 도 1과 동일한 구성 부분을 동일한 부호로 나타내고 설명을 생략한다.
도 2는 구동 진동을 설명하는 도면이다. 도 2에 있어서, 구동 진동은 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)이 화살표 A 방향으로 진동하는 굴곡 진동이며, 실선으로 나타내는 진동 자태와, 2점 쇄선으로 나타내는 진동 자태를 소정의 주파수로 반복하고 있다. 이 때, 구동 아암(15A, 15B)과 구동 아암(15C, 15D)이 중심 위치 G를 통과하는 Y축으로 선대칭의 진동을 행하고 있기 때문에, 베이스부(12), 연결 아암(13, 14) 및 검출 아암(16A, 16B)은 거의 진동하지 않는다.
도 3은 검출 진동을 설명하는 도면이다. 도 3에 있어서, 검출 진동은 실선으로 나타내는 진동 자태와 2점 쇄선으로 나타내는 진동 자태를 상기 구동 진동의 주파수로 반복하고 있다. 검출 진동은 압전 진동편(10)이 도 2에 나타낸 구동 진동을 행하고 있는 상태로, 압전 진동편(10)에 Z축 둘레의 회전 각속도 ω가 가해졌을 때, 구동 아암(15AA, 15B 및 15C, 15D)에 화살표 B로 나타내는 방향의 코리올리힘이 작용함으로써 발생한다.
이로써, 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)이 화살표 B로 나타내는 진동을 행한다. 화살표 B로 나타낸 진동은 중심 위치 G에 대해서 둘레 방향의 진동이다. 또한 동시에, 검출 아암(16A, 16B)은 화살표 C에 나타내는 바와 같이, 화살표 B의 진동에 호응하여 화살표 B와는 둘레 방향 반대 방향의 진동을 행한다.
이 때, 베이스부(12)의 둘레 가장자리부는 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)과 검출 아암(16A, 16B)이 도 2에서 나타낸 바와 같은 진동을 했을 때 진동계로서는 균형이 잡힌 상태이기 때문에 진동하지 않는다. 따라서, 이 베이스부(12)에 압전 진동편(10)을 지지하는 리드 부재를 접속해도 압전 진동편(10)의 진동에 영향을 주는 일은 없다.
다음에, 압전 진동편의 특성 조정에 대해서, 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1에 나타내는 압전 진동편(10)은 그 측정 감도를 양호하게 하기 위해서 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 고유 공진 주파수와 검출 아암(16A, 16B)의 고유 공진 주파수 사이에 일정한 진동 주파수 차이(이하, 「디튜닝 주파수」라고 함)를 갖는 것이 요구되고 있다. 이 디튜닝 주파수를 조정하기 위해서 검출 아암(16A, 16B)에 형성되어 있는 제2 추부(23)의 추층(20) 및 전극막(17)으로부터 질량을 제거하는 가공을 행하고, 검출 아암(16A, 16B)의 고유 공진 주파수를 변화시킨다. 디튜닝 주파수의 조정은 조정량을 많이 취하는 것이 필요하기 때문에, 제2 추부(23)에 차지하는 추층(20)의 영역을 크게 함으로써 조정량을 많이 취하는 것을 가능하게 하고 있다. 또한, 추층(20) 및 전극막(17)으로부터 질량을 제거하는 가공은, 추층(20) 및 전극막(17)의 어느 쪽인지 한 쪽을 가공하거나, 또는 쌍방을 가공함으로써 행한다.
또한, 도 1에 나타내는 압전 진동편(10)은 각각의 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 고유 공진 주파수를 일치시키는 것이 요구되고 있다. 이것은, 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 굴곡 진동이 연결 아암(13, 14)을 통과하여 검출 아암(16A, 16B)에 전파하는, 소위, 진동 누설을 방지하기 위함이다. 진동 누설은, 각각의 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 고유 공진 주파수의 차이(언밸런스)에 의해서 생긴다. 이 고유 공진 주파수의 차이를 해소하기 위해, 각각의 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 고유 공진 주파수를 변화시키고, 각각의 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 고유 공진 주파수를 일치시키도록 조정을 행한다. 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 고유 공진 주파수의 조정은, 각각의 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 선단부에 형성되어 있는 제1 추부(19)의 추층(18) 및 전극막(17)으로부터 질량을 제거하는 가공에 의해서 행한다. 추층(18)과 전극막(17)은 제1 추부(19)에 대체로 절반씩 설치되어 있고, 추층(18)을 제거함으로써 조조정을 행하고, 전극막(17)을 제거함으로써 미조정을 행한다. 또한, 추층(18) 및 전극막(17)으로부터 질량을 제거하는 가공은, 추층(18) 및 전극막(17)의 어느 쪽인지 한 쪽을 가공하거나, 또는, 쌍방을 가공함으로써 행한다.
또한, 본 예에서는 추층(18, 20) 및 전극막(17)으로부터 질량을 제거하는 가공은, 일례로서 레이저를 조사함으로써 추층(18, 20) 및 전극막(17)을 용해, 증발시키는 방법을 이용하고 있다. 도 4의 레이저 가공을 나타내는 모식도에 나타내는 바와 같이, 레이저(22)를 조사하면서 레이저와 구동 아암(15A)을 상대적으로 이동함으로써 연속 또는 단발로 추층(18)을 제거한다. 도 4에서는, 레이저(22)가 조사되고, 그로부터 연속하여 화살표의 방향으로 제거하는 예를 나타내고 있고, 순서대로 다음 열을 반복하여 가공하거나, 혹은 왕복하여 가공을 행한다. 전극막(17)의 제거 가공도 추층(18)과 동일하게 행해진다.
제1 실시 형태에 나타내는 진동형 자이로스코프의 압전 진동편(10)에 의하면, 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)에는 조정부로서의 제1 추부(19)가 추층(18)과 전극막(17)으로 형성되고, 검출 아암(16A, 16B)에는 조정부로서의 제2 추부(23)가 추층(20)과 전극막(17)에 의해 형성되어 있다. 추층(18, 20)과 전극막(17)은 두께가 상이하기 때문에, 동일 면적의 레이저 조사로 제거할 수 있는 질량이 다르다. 즉, 두께가 큰 추층(18, 20)은 큰 질량 변화를 시킬 수 있고 두께가 얇은 전극막(17)은 작은 질량 변화를 시킬 수 있다. 따라서, 질량의 조정은 두께가 큰 추층(18, 20)으로 단시간에 큰 질량 변화(조조정)를 행하고, 두께가 얇은 전극막(17)으로 미세한 질량 변화(미조정)를 행함으로써 가능해진다. 이들에 의해, 각각의 고유 공진 주파수의 조조정과 미조정을 비교적 작은 면적의 조정부에서 단시간에 행할 수 있게 되고, 저렴하고 소형인 진동형 자이로스코프를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 제1 실시 형태에 있어서 추층의 형상은, 도 1에 나타내는 X방향으로 장변을 갖는 형상을 예시하여 설명했지만, 이것에 한정하지 않고, 소정의 면적이 확보되어 있으면 형상은 상관없다. 예를 들어, 도 5(a)~도 5(c)에 나타내는 형상이라도 좋다. 도 5(a)에는 표면에 전극막(17)이 형성된 구동 아암(15A)의 선단 부분에 원형의 추층(18)이 형성되어 있다. 또한, 도 5(b)에는 표면에 전극막(17)이 형성된 구동 아암(15A)의 선단 부분의 표면에 전극막(17)이 형성된 구동 아암(15A)의 선단 부분에 제1 실시 형태에서 나타낸 추층과 직교하는 방향으로 장변을 갖는 직사각형상의 추층(18)이 형성되어 있다. 또한, 도 5(c)에는 표면에 전극막(17)이 형성된 구동 아암(15A)의 선단 부분에 제1 실시 형태에서 나타낸 추층과 직교하는 방향으로 장변을 갖는 직사각형상의 두 개의 추층(18a, 18b)이 형성되어 있다.
또한, 제1 추부(19) 및 제2 추부(23)의 추층(18, 20) 및 전극막(17)의 제거를 행하는 가공은, 추층(18)과 전극막(17) 및 추층(20)과 전극막(17)의 모두를 가공하는 것은 필요로 하지 않는다. 원하는 질량의 조정이 가능하면, 어느 부분이 가공되어 있어도 좋고, 일례로서 제1 추부(19)로 설명하면, 추층(18)만 가공되어 있거나, 혹은 전극막(17)만 가공되어 있거나, 혹은 추층(18)과 전극막(17)의 쌍방이 가공되어 있는 패턴이 있고 이 중의 어느 패턴이어도 좋다.
(제2 실시 형태)
도 6을 따라 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 도 6은, 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 개략 구조를 나타내는 정단면도이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 진동형 자이로스코프(30)는 압전 진동편(10), 지지기로서의 패키지(31)의 오목부 내에 수납된, 회로 소자(32), 지지 기판(34), 지지부(35), 덮개(37) 등으로 구성되어 있다.
예를 들어, 세라믹에 의해서 형성된 패키지(31)는 오목부가 3단 구조로 형성되어 있다. 회로 소자(32)는 패키지(31)의 최하단에 도전성 접착제(도시하지 않음) 등으로 고착되어 있고, 패키지(31)의 중단에 형성된 접속 배선부(도시하지 않음)와 와이어 본딩에 의한 금속 세선(본딩 와이어 : 33)에 의해 접속되어 있다. 회로 소자(32)는 적어도 압전 진동편(10)을 구동시켜 회전 각속도를 검출하는 기능을 가지고 있다. 지지 기판(34)은 한 쪽단이 패키지(31)의 상단에 접속 고착되어 있고, 그 표면에는 한 쪽의 단부에 전술한 제1 실시 형태에서 상술한 압전 진동편(10)이 접속된 지지부(35)가 접속되어 있다. 지지부(35)는 가요성을 갖는 금속 박판 등에 의해 복수의 가늘고 긴 형상으로 형성되어 있고, 지지 기판(34)과 압전 진동편(10)의 접촉을 방지하기 위해서 지지 기판(34)으로부터 돌출한 부분에서 위쪽으로 절곡된 형상이 되고 있다. 그 절곡된 방향의 단부에 압전 진동편(10)이 접속 되어 있다. 패키지(31)의 개구부는 접속부(36)를 통하여, 예를 들어 심 용접, 금속 가열 융착 등을 이용하여 덮개(37)에 의해 밀봉되어 있다.
제2 실시 형태에 의하면, 패키지 내에 제1 실시 형태에서 상술한 압전 진동편(10)을 실장하여 수납하고 있다. 압전 진동편(10)은 특성의 조정을 효율적으로 행할 수 있기 때문에 저렴하고, 또한 특성 조정용 추부를 작게 할 수 있기 때문에 소형이다. 따라서, 본 예에 의하면, 소형이고 저렴한 진동형 자이로스코프(30)를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 전술의 제2 실시 형태에서는 패키지(31) 내에 회로 소자(32)를 수납하는 구성을 일례로서 설명했지만, 회로 소자(32)는 패키지(31) 내에 수납하지 않은 구성이라도 좋고, 제2 실시 형태와 동일한 효과를 가지고 있다. 예를 들어, 회로 소자(32)는 진동형 자이로스코프(30)를 실장하는 기판(도시하지 않음) 등에 실장되고, 패키지 내에는 압전 진동편(10), 압전 진동편(10)을 지지하는 지지부(35) 및 지지부(35)가 접속된 지지 기판(34)이 수납되는 구성이라도 좋다. 또한, 이 구성에서는 패키지(31)의 오목부에 형성되어 있는 단차는 2단 구조로 좋다.
또한, 전술의 패키지(31)는 오목부가 3단 또는 2단 구조인 예를 나타내어 설명했지만, 단수는 이것에 한정하지 않고 1단 구조, 혹은 4단 이상의 구조라도 좋다.
(제3 실시 형태)
다음에, 제3 실시 형태로서 본 발명에 따른 진동형 자이로스코프의 압전 진동편의 제조 방법에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 7(a)~(f)는 전술한 도 1에 나타내는 제1 실시 형태의 진동형 자이로스코프의 압전 진동편(10)에서의 개략의 제조 공정을 나타내는 공정 설명도이다. 도 7은 압전 진동편(10)을 도 1에 나타내는 P의 방향에서 본 도면으로, 좌열에 구동 아암(15A)의 선단 부근을 나타내고, 우열에 검출 아암(16A)의 선단 부근을 나타내고 있다.
먼저, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 도 1에 나타내는 구동부로서의 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D) 및 검출부로서의 검출 아암(16A, 16B) 등의 외형 형상을 갖는, 예를 들어 수정판으로 이루어지는 압전 진동편(10)을 준비한다. 이하, 압전 진동편(10)의 제조 공정을 구동 아암(15A) 및 검출 아암(16A)을 대표로서 나타내어 순서대로 설명하지만, 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D) 및 검출 아암(16A, 16B)은 필요에 따라서 각각 동일한 공정으로 동일한 가공을 실시하게 된다.
다음에, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 압전 진동편(10)의 표면에 전극막(17)을 형성한다. 전극막(17)은, 예를 들어, 수정과의 밀착성을 향상시키기 위해서 크롬(Cr) 등의 기초 금속층을 형성하고, 그 표면에 금(Au) 층을 형성한 구성이 되고 있다. 전극막(17)의 형성은 증착법이나 스퍼터링법 등을 이용하여 성막할 수 있다.
다음에, 도 7(c)에 나타내는 바와 같이, 구동 아암(15A)의 선단 부분의 제1 추부(19)와 검출 아암(16A)의 선단 부분의 제2 추부(23)에 각각 조정부로서의 추층(18, 20)을 형성한다. 추층(18, 20)은, 예를 들어, 금속 마스크 등을 통한 증착법이나 스퍼터링법 등에 의해 금(Au) 등의 금속층을 형성하고, 그 층의 두께는 전극막(17)보다도 두껍게 형성한다. 추층(18)은 제1 추부(19)의 거의 절반의 영역에 형성하고, 추층(20)은 제2 추부(23)의 거의 전체 영역에 형성한다.
다음에, 도 7(d)에 나타내는 바와 같이, 검출 아암(16A)의 질량 조정을 행하고, 검출 아암(16A)의 고유 공진 주파수를 원하는 주파수에 조합을 행한다. 이 질량 조정은 제1 실시 형태에서 설명한, 디튜닝 주파수의 조정을 위해서 행하는 것이고, 예를 들어, 수집된 레이저 L0을 조사함으로써 검출 아암(16A)에 형성된 추층(20)을 용해, 증발시켜 제거하는 것에 의해서 행한다. 또한, 필요하면 전극막(17)을 용해, 증발시켜 제거하기도 한다.
다음에, 도 7(e) 및 도 7(f)에 나타내는 구동 아암(15A)의 질량 조정을 행하고, 구동 아암(15A)의 고유 공진 주파수를 원하는 주파수에 조정을 행한다. 이 질량 조정은 제1 실시 형태에서 설명한, 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 굴곡 진동이 연결 아암(13, 14)을 통과하여 검출 아암(16A, 16B)에 전파하는, 소위, 진동 누설을 방지하기 위해서 행한다. 각각의 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 고유 공진 주파수를 변화시키고, 각각의 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)의 고유 공진 주파수를 일치시키도록 조정을 행한다. 이 질량 조정은, 예를 들어, 집광된 레이저 L1 및 레이저 L2를 조사함으로써 구동 아암(15A)에 형성된 추층(18)과 전극막(17)을 용해, 증발시켜 제거하는 것에 의해서 행한다.
구동 아암(15A)의 질량 조정은, 먼저, 도 7(e)에 나타내는 바와 같이, 구동 아암(15A)에 형성되어 있는 추층(18)에 대해 레이저 L1을 조사하고 추층(18)을 제거한다. 추층(18)은 두께가 크기 때문에 1발의 레이저로 제거할 수 있는 질량이 크고, 바꾸어 말하면 큰 질량 변화를 발생할 수 있는 것을 이용하여, 대략적으로 고유 공진 주파수를 조정하는, 소위, 조조정을 행한다.
계속해서, 도 7(f)에 나타내는 바와 같이 구동 아암(15A)의 제1 추부(19)의 부분의 전극막(17)에 레이저 L2를 조사하여 전극막(17)을 제거한다. 전극막(17)은 막두께가 작기 때문에, 1발의 레이저로 제거할 수 있는 질량이 작아 미세한 질량의 조정이 가능하다. 따라서, 전극막(17)의 질량의 제거에 의해, 소위, 미조정을 행한다.
전술한 제3 실시 형태에 나타내는 진동형 자이로스코프의 압전 진동편의 제조 방법에 의하면, 제1 추부(19)와 제2 추부(23)의 추층(18, 20)을 동시에 형성할 수 있기 때문에, 추층(18, 20)을 형성하는 제조 공정수를 줄일 수 있다. 또한, 본 예에 의하면, 조조정과 미조정을 조합함으로써 효율이 좋은 조정을 행하는 것이 가능해진다. 즉, 큰 고유 공진 주파수의 조정을 행할 필요가 있는 검출 아암(16A, 16B)은 추층(20)을 제거함으로써 단시간에 조정하는 것이 가능해진다. 계속해서, 미조정이 필요한 구동 아암(15A, 15B, 15C, 15D)은 추층(18)을 제거하는 것에 의한 조조정과, 전극막(17)을 제거하는 것에 의한 미조정을 차례로 행함으로써 단시간에 미세한 조정까지를 행하는 것이 가능해진다. 즉, 정밀도가 좋은 진동형 자이로스코프를 효율적으로 제조하는 것이 가능해지기 때문에 저비용으로 제공하는 것이 가능해진다.
추층(18) 및 추층(20)이 제거된 부분은, 도 7(e), 및 도 7(f)에 나타내는 바와 같이 오목부(21b, 21a)가 된다. 이 오목부(21b, 21a)의 저면은 도 7(e), 및 도 7(f)에 나타내는 바와 같이 추층(18, 20) 중에 있어도 좋고, 혹은, 추층(18, 20)과 추층(18, 20) 아래에 형성되어 있는 전극막(17)의 양쪽 모두를 제거하여 수정면이 저면이 되어 있어도 좋다. 또한, 도 7(e)에서는, 추층(20)이 제거된 오목부(21a)를 3개로 구분하여 나타내고, 도 7(f)에서는 추층(18)이 제거된 오목부(21b)를 2개로 구분하여 나타내고 있지만 이것에 한정하지 않고, 연속하여 제거함으로써 모아진 하나의 오목부라고 해도 좋다.
또한, 전술의 설명에서는 추층(18, 20) 및 전극막(17)의 제거는, 구동 아암(15A) 및 검출 아암(16A)의 일면을 제거 가공하는 예로 설명했지만, 이것에 한정하지 않고, 양면에 형성된 추층(18, 20) 및 전극막(17)을 제거 가공할 수도 있다.
또한, 전술에서는 구동 아암(15A)의 질량 조정을 추층(18)과 전극막(17)을 이용하여 행하는 것으로 설명했지만, 질량의 조정량에 따라서는 추층(18)만의 제거를 행하여 질량을 조정하고 전극막(17)의 제거는 행하지 않은 경우, 혹은, 전극막(17)만의 제거를 행하여 질량을 조정하고 추층(18)의 제거는 행하지 않은 경우도 있다.
또한, 추층(18, 20)을 형성하는 재질을 전극막(17)을 형성하는 재질보다 비중이 큰 재질, 예를 들어 추층(18, 20)을 금으로 형성하고 전극막(17)을 알루미늄으로 형성하는 등해도 동등한 효과를 갖는다.
또한, 추층(18, 20)은 제1 추부(19)와 제2 추부(23)에 각각 1개씩 설치하는 것으로 설명했지만 이것에 한정하지 않고, 제1 추부(19)와 제2 추부(23) 중에 두께가 다른 추층을 복수 형성해도 좋다.
Claims (9)
- 압전 진동편에 가해지는 회전의 회전 각속도를 검출하는 진동형 자이로스코프로서,상기 압전 진동편은,베이스부와,상기 베이스부로부터 연장된 지지 빔을 통하여 설치되고 소정의 진동을 행하는 구동부와,상기 베이스부로부터 상기 구동부와 동일 평면 내에 연장되고, 상기 구동부의 회전에 수반하는 코리올리힘에 의해서 생긴 검출 진동을 검출하는 검출부와,상기 구동부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 압전 진동편의 특성 조정용 제1 추부와,상기 검출부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 압전 진동편의 특성 조정용 제2 추부를 갖고,상기 제1 추부 및 제2 추부의 적어도 한 쪽이 단위면적 당 질량이 상이한 복수의 조정부로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
- 청구항 1에 있어서,상기 제1 추부의 질량은, 상기 제2 추부의 질량보다 작게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,상기 조정부는 상기 구동부 및 상기 검출부 중 상기 조정부가 형성된 것에 대해, 상기 구동부에 있어서는 상기 구동부의 연장 방향과 대략 직교하는 방향의 모든 영역에 걸쳐서 형성되고, 상기 검출부에 있어서는 상기 검출부의 연장 방향과 대략 직교하는 방향의 모든 영역에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 추부, 및 제2 추부의 적어도 한 쪽이 두께가 상이한 복수의 조정부로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
- 청구항 4에 있어서,상기 제1 추부의 조정부와, 상기 제2 추부의 조정부가 동일한 금속을 이용하여 동일한 두께로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
- 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,상기 두께가 상이한 복수의 조정부는 상기 구동부, 또는 상기 검출부의 선단에 가까운 쪽의 상기 조정부의 두께가, 다른 조정부의 두께보다 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
- 지지기와,상기 지지기에 실장된 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 압전 진동편을 갖는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
- 지지기와,상기 지지기에 실장된 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 압전 진동편과,상기 지지기에 실장되고 적어도 상기 압전 진동편을 구동하는 회로를 갖는 회로 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프.
- 베이스부와,상기 베이스부로부터 동일 평면 내에 연장된 지지 빔을 통하여 설치되고, 소정의 진동을 행하는 구동부와, 상기 베이스부로부터 동일 평면 내에 연장되어 상기 구동부의 회전에 수반하는 코리올리힘에 의해서 생긴 검출 진동을 검출하는 검출부를 갖는 압전 진동편을 구비한 진동형 자이로스코프의 제조 방법으로서,외형 형상이 형성된 상기 압전 진동편의 표면에 전극막을 형성하는 공정과,상기 검출부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 전극막의 표면 및 상기 구동부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 전극막의 표면의 일부에 조정부로서의 추층을 형성하는 공정과,상기 검출부의 대략 선단 부분에 형성된 적어도 상기 추층을 제거하여 상기 검출부의 고유 공진 주파수를 조정하는 공정과,상기 구동부의 대략 선단 부분에 형성된 상기 추층을 제거하여 상기 구동부의 고유 공진 주파수의 조조정을 행하고, 상기 구동부의 대략 선단부의 상기 전극막을 제거하여 상기 구동부의 고유 공진 주파수의 미조정을 행하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 진동형 자이로스코프의 제조 방법.
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