(57)【要約】【課題】最も短時間で能率よく行うことができる、合理的な三脚音叉の周波数調整方法を提供すること。またジャイロセンサの性能向上と低廉化を図ること。【解決手段】三脚音叉型の振動体の両外脚を対称モードで振動させておき、中脚の振幅が小さくなるように、一方の外脚を選択して該外脚に対する周波数調整加工を行うと共に対称モードにおける振動数を所望の値にすること。また前記一方の外脚を選択するための参照情報として、中脚の振動の位相情報を用いること。またこれらの調整を先に行った三脚音叉を非対称モードで振動させ、中脚を加工するか、あるいは両外脚を均等に加工することによって非対称モードにおける周波数を目標値に近づけること。また調整加工方法と関連させて、事前に対称モードの周波数と非対称モードの周波数に予め大小関係を設定しておくこと。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三脚音叉型の振動体の両外脚を対称モードで回転角速度を加えない状態で振動させておき、中脚の振幅が小さくなるように、少なくとも一方の外脚に対して周波数調整加工を行い、両外脚のバランス調整を行うと共に対称モードにおける周波数を所望の値とすることを特徴とする三脚音叉の周波数調整方法。
【請求項２】
前記両外脚のバランス調整の参照情報として、中脚の検出電圧波形と発振波形あるいはいずれかの外脚の電圧波形との位相関係の情報を用いることを特徴とする請求項１の三脚音叉の周波数調整方法。
【請求項３】
両外脚のバランス調整が実質的に完了していることが確認された三脚音叉を非対称モードで振動させ、中脚を加工することによって非対称モードにおける周波数を所望の値にすることを特徴とする三脚音叉の周波数調整方法。
【請求項４】
三脚音叉の周波数を、対称モードの周波数が非対称モードの周波数よりもやや高くなる関係に予め設定しておいた後に、各脚の付加質量を除去する方法を用いて周波数調整を行うことを特徴とする請求項３の三脚音叉の周波数調整方法。
【請求項５】
三脚音叉の周波数を、対称モードの周波数が非対称モードの周波数よりもやや低くなる関係に予め設定しておいた後に、各脚の付加質量を追加する方法を用いて周波数調整を行うことを特徴とする請求項３の三脚音叉の周波数調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は三脚音叉において、３本の各脚の固有振動数を調整する方法に関する。更に詳しくは、振動のバランスと、発振周波数と、異なる振動モード間の周波数の離調度を調整する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
互いにほぼ平行な中脚と両外脚を平面状に配置し、三本の脚の一方を基部にて連結した三脚音叉型の振動体を用いて、１軸ないし３軸方向の角速度を検出する振動ジャイロスコープが既に提案されている。例えば、三脚音叉型の振動体を用いて３軸のジャイロスコープを構成した技術の一例が、本願出願人らにより出願された特願２００１−４９３８３号に開示されている。
【０００３】
三脚音叉の角速度センサとしての原理は、主要な例を挙げると、両外脚が対称的に開閉する基本振動を行わせておくとき三脚面内の回転運動により、あるいは両外脚と中脚とを三脚面に垂直に互いに反対向きに運動する基本振動を行わせておくとき脚軸に平行な軸のまわりの回転により、各脚に現れるコリオリ力によって中脚に惹起される振動力の成分を検出することによって、コリオリ力の大きさ、従って回転角速度を知ることにある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし三脚音叉が所期の性能を発揮するためには、３本の脚の屈曲の固有振動数がばらばらであってはならず、その絶対値も含めて所定の関係になくてはならない。例えばもし両外脚の固有振動数が不一致であると、センサ出力にノイズが残留したり、振幅が安定せず検出感度が変動したりすることがある。
【０００５】
例えばフォトリソグラフィ技術を用いて成形され、電極膜や付加質量となる厚膜が形成された直後の水晶製の三脚音叉では、そのままで各脚の固有振動数が所定の関係にあることはほとんど期待できない。従って完成振動子とするに先立って、振動脚の周波数調整加工を行う必要がある。しかも３本の脚を調整加工するのであるから、盲目的な試行錯誤によるわけには行かず、適切な方法を順序よく適用するのでなければならない。
【０００６】
本発明の目的は、最も短時間で能率よく行うことができる、合理的な三脚音叉の周波数調整方法を提供することである。またそれによって三脚音叉を用いたジャイロセンサの性能の向上と低廉化を図ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の三脚音叉の周波数調整方法は次の特徴を備える。
（１）三脚音叉型の振動体の両外脚を対称モードで回転角速度を加えない状態で振動させておき、中脚の振幅が小さくなるように、少なくとも一方の外脚に対して周波数調整加工を行い、両外脚のバランス調整を行うと共に対称モードにおける周波数を所望の値とすること。
【０００８】
本発明の三脚音叉の周波数調整方法は更に以下の特徴を備えることがある。
（２）前記両外脚のバランス調整の参照情報として、中脚の検出電圧波形と発振波形あるいはいずれかの外脚の電圧波形との位相関係の情報を用いること。
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の三脚音叉の周波数調整方法は次の特徴を備える。
（３）両外脚のバランス調整が実質的に完了していることが確認された三脚音叉を非対称モードで振動させ、中脚を加工することによって非対称モードにおける周波数を所望の値にすること。
【００１０】
また、本発明の三脚音叉の周波数調整方法は更に次のいずれかの特徴を備えることがある。
（４）三脚音叉の周波数を、対称モードの周波数が非対称モードの周波数よりもやや高くなる関係に予め設定しておいた後に、各脚の付加質量を除去する方法を用いて周波数調整を行うこと。
（５）三脚音叉の周波数を、対称モードの周波数が非対称モードの周波数よりもやや低くなる関係に予め設定しておいた後に、各脚の付加質量を追加する方法を用いて周波数調整を行うこと。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の周波数調整方法が適用される三脚音叉の実施の形態の一例の正面図である。三脚音叉１は厚さ約０．１〜０．２ｍｍ程度の水晶のＺカットに近い板からフォトリソグラフィ技術で三脚型に切り出され、更に電極膜や周波数調整要の膜等を付着加工されたものである。サイズは例えば全長（対称軸方向の長さ）は１０．７ｍｍ、脚長４．９ｍｍ，幅３．８ｍｍである。図中に座標軸の方向（水晶の結晶軸の方向に近い）も示す。
【００１２】
振動部分は大面積の基部１ａから分岐した左外脚１ｂ、右外脚１ｃ、中脚１ｄより成り、形状はＹ軸に平行な中脚１ｄの中心軸に関して対称である。両外脚にはそれぞれ外側に偏芯した付加質量を与える屈曲部１１ｂ、１１ｃを有する。これら屈曲部はコリオリ力に対するセンサ感度を向上させる作用を担う。１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは各脚の周囲４面の根元側に設けた電極膜で、圧電作用により各脚の振動の励振または検出を行う。
【００１３】
各電極膜は金属薄膜で脚の表面に密着しているが、側面または断面方向から見る場合は存在を明瞭にするため脚の表面から僅か浮かして図示している。また各電極膜は適宜に配置された結線パターンにより基部１ａ上の電極パッド（これらは図示せず）に接続される。周波数調整用の付加質量として、各脚の先端に近い部分に例えば銀ペーストを焼付けて約１０μｍの厚膜とした粗調膜１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと、それらに隣接した、Ｔｉ−Ｐｄより成る約０．３０μｍ（前記電極膜と共通で同時形成）の微調膜１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを有する。
【００１４】
図２は前図におけるＡ−Ａ断面図であるとともに、電極の結線を示す図である。両外脚１ｂ、１ｃの電極膜１２ｂ、１２ｃの電極端子３ｂ、４ｂ、３ｃ、４ｃは通常、２端子または４端子（３端子）の発振回路に接続され、中脚１ｄの電極膜１２ｄの電極端子３ｄ、４ｄはセンサの検出回路の入力に接続される。
【００１５】
図３は三脚音叉の主な振動モードとセンサ作用を示す、線画による概念図である。また三脚音叉を利用する上での主要な振動姿態を概念的に示している。
（ａ）はＨＳ−ｍｏｄｅ（対称モード）で基本振動（最低次数の振動）を駆動（励振）中の振動姿態であり、Ｖｂ、Ｖｃは各脚の先端部の速度ベクトルである。そして（ｂ）はその状態でＺ軸回りの回転運動（角速度Ωｚ）が加わった結果、コリオリ力Ｆｂｚ、Ｆｃｚによって付加的に生起するＨＡ−ｍｏｄｅ（非対称モード）の検出の振動姿態である。
【００１６】
（ｃ）は他の駆動用の振動姿態でありＶ−ｍｏｄｅ（面垂直モード）、（ｄ）はＶ−ｍｏｄｅにおいてＹ軸回りの回転運動（角速度Ωｙ）が加わった結果、コリオリ力Ｆｂｙ、Ｆｃｙによって生起するＨＡ−ｍｏｄｅの検出対象である振動姿態を示している。なおＨＳ−ｍｏｄｅとＶ−ｍｏｄｅのいずれかを選択的に励振するには（特に両外脚の）電極パターンの変更を要する。
【００１７】
図４は発振波形に対する中脚からの検出電圧の位相関係を示す波形図で、ｔは時間軸である。５はＨＡ−ｍｏｄｅ（対称モード）で励振されるように、両外脚の電極端子３ｂ，４ｂ，３ｃ，４ｃに適宜接続された発振回路からの入力電圧波形である。共振周波数で発振が行われるので、発振回路の出力波形は入力波形に対して９０°位相がシフトしている。
【００１８】
各外脚の固有振動数が不一致であるとき、中脚はいずれかの外脚（固有振動数の高い方の外脚と考えてよいであろう）に引きずられて同位相で振動する現象が見られる。中脚の電極膜１２ｄからの検出電圧出力波形は、その位相を見て中脚がどちらの外脚にひきずられているかが判別できるように、圧電的特性と端子３ｄ、４ｄの極性を考慮して検出回路に接続されている。６および７は中脚が振動しているときの検出電圧出力波形の２つの場合を示している。未調整の三脚音叉において中脚が振動している場合、これは回転角速度が与えられないのに中脚が振動し、ノイズ出力が発生している状態であることを示す。そこで調整を行って中脚がいずれの外脚にも引きずられないようにしなければならない。
【００１９】
波形６は中脚１ｄが（固有振動数の高い）左外脚１ｂと同位相で振動変位している場合であり、このとき右外脚１ｃをトリミング（粗調膜１３ｃまたは微調膜１４ｃの一部をレーザー加工によって除去し、その脚の固有振動数を上げる）加工を行うとバランスが取れる方向に変化する。また波形７が現れる場合は逆に中脚１ｄが右外脚１ｃと同位相で振動していることを示すので、左外脚１ｂを適宜トリミングすることでバランスが取れるようになる。なお、波形６は左外脚の振動位相、波形７は右外脚の振動位相を示していると理解してもよい。すなわちいずれの外脚を加工すべきかを発振波形に対する中脚からの検出波形の位相情報によって決定し得る。
【００２０】
図５の各図は周波数調整トリミングの進行に対する諸量の変化の実験結果を示すグラフであり、（ａ）は外脚の加工に対する中脚の検出電圧の振幅と位相の変化、（ｂ）は中脚加工に対する、（ｃ）は両外脚加工に対する、２種の調整方法による周波数変化を示している。まず（ａ）の振動バランス調整グラフにおいて横軸は片方の外脚の粗調膜（１３ｂ、１３ｃのいずれか）を定量づつ除去する、トリミングの回数であり、２つの曲線は中脚１ｄからの検出電圧波形の振幅および位相の加工毎の変化を示す。
【００２１】
まず未調整かつ回転角速度の印加がない状態で中脚の位相が＋９０°であったので、中脚が右外脚と同相で振動していると考え、反対側の左外脚の粗調膜から０．１ｍｍφづつトリミングを開始した。１〜５回目までは回数と共に振幅が直線的に減少し、バランス方向に向かっていることがわかる。６回目の加工で位相が−９０°に反転したし、更に７回目の加工で振幅が増しバランスが崩れてきたので、８回目は右外脚の加工に切り換えたところ、また振幅が小さくなりバランスを回復した。完全に両外脚のバランスが調整された状態では、対称モードにおける中脚の振動の振幅は極めて小さく、中脚の振動の位相は両外脚の振動の位相の中間にある。
【００２２】
なお本実験では中脚の位相をゼロにするまでの調整は追求していないが、一回の粗調整量もスポット径等で変更できるし微調膜により１回の加工量を減らした微調整も可能であるので精密調整も可能である。また中脚の位相がいずれかの外脚の位相に近くても、その振幅をある程度小さく追い込んでおけば、実用上の支障なく回転角速度の検出を行うことができるようになるので、実質的にバランスが取れた状態であるとみなすことがある。またトリミングする脚を決める位相情報をたとえ用いなくても、いずれかの外脚を任意に選んでトリミングしてみてその結果中脚の振幅が増えたかどうかを見ることによって、選んだ脚が正しい（加工対象とすべき）外脚であったかどうかを判定し、必要に応じて他の外脚を選んで次の加工を行う方法も実行することができる。なお両外脚のトリミング調整は、最終的にはバランスのとれた状態でしかも周波数を所期の範囲内に入れるために行われる。
【００２３】
以上三脚音叉のバランス加工の記述を終り、次に中脚の周波数調整について述べる。中脚の固有振動数を両外脚の固有振動数に関して適宜に設定（一致させるか、または高くするか低くするか、またその差をどの程度にするかの所謂離調度調整）することは、これも重要な調整項目である。（離調度の調整は検出や安定性その他センサの特性を最適な関係とするために行う。）中脚はＨＳ−ｍｏｄｅでは殆ど関与せず、ＨＡ−ｍｏｄｅではその主体として強く関与する〔図３（ｂ）、（ｄ）を参照〕ので、結局ＨＳ−ｍｏｄｅとＨＡ−ｍｏｄｅとの２つのモードの発振周波数の差を観測しつつ加工すればよい。
【００２４】
ＨＳ−ｍｏｄｅを実現する場合は両外脚が逆方向に駆動されるように発振回路を接続し、ＨＡ−ｍｏｄｅを励振させるには両外脚が同相（同方向）に駆動されるように、一方の外脚の電極端子の組の発振回路に対する結線を反転してやればよい。
【００２５】
図５（ｂ）はバランス調整が終った三脚音叉について、中脚にトリミング加工（１回あたり０．２ｍｍφの粗調膜の除去）を加えつつＨＳ−ｍｏｄｅの発振周波数とＨＡ−ｍｏｄｅの発振周波数とを比較したものである。実験結果は、ＨＳ−ｍｏｄｅの発振周波数はほとんど変化せず（当モードにおいては中脚が関与しないことから頷ける現象である）、ＨＡ−ｍｏｄｅの発振周波数だけが変化しているので、この調整方法は好都合である。
【００２６】
またＨＳ−ｍｏｄｅの周波数をＨＡ−ｍｏｄｅの周波数よりも初期に（未調整状態で）高く設定しておくと、中脚のトリミング（付加質量の除去）は両周波数の差を縮める方向であるので容易に両モードの周波数を一致させて最高の角速度検出感度を達成することもできるし、その状態の前または後で両モードの周波数に適当な差（最大数１０％）を与えた状態で加工を止めることにより、適宜離調度の調整を行うこともできる。（なおＨＳ−ｍｏｄｅでのバランスが崩れている三脚音叉ではＨＳ−ｍｏｄｅとＨＡ−ｍｏｄｅの周波数を一致させようとしても周波数のジャンプ現象が起こってうまく行かないことがあるので、バランス調整を先行させるかバランスの確認をしてから中脚の周波数調整を〔その少なくとも最終の段階を〕行うことが好ましい。）
【００２７】
これに対し図５（ｃ）では同じく両モードの発振周波数を見ながら、中脚は加工せず、両外脚の粗調膜を左右等量づつ（バランスを崩さぬため、各粗調膜を０．４ｍｍ×０．３ｍｍづつ同時に）加工した実験結果である。図より確かに検出用周波数（ＨＡ−ｍｏｄｅ）は変化し必要な周波数差も与えることができるし、中脚加工法と併用して両モードの周波数差を増減自由に変化させ得るので、必ずしも排斥されるべき方法ではないが、調整前後で駆動周波数（ＨＳ−ｍｏｄｅ）が大きく変化するし、両外脚が精密に等量づつ加工されるとも限らないので、前の方法よりも一般的にはやや劣る方法であると判断される。しかし図５（ｂ）の方法と交互に実施して離調度の調整を往復方向に行うこともできる。
【００２８】
以上三脚音叉の周波数調整方法の具体的な実施の形態の一例について述べた。次に本発明の方法の変形例のいくつかについて例示しておく。まず図４は原理の説明図であって、位相検出の方法はこのように生の波形を観測して行う手法に限られず、加工された位相情報でもよい。また中脚からの検出波形の位相は発振波形とではなく一方の外脚の振動波形と直接比較してもよい。
【００２９】
脚の周波数調整の方法は、調整時付加質量の除去（トリミング）ばかりでなく質量の追加（物質を真空蒸着、スパッタリング、あるいは精密ディスペンサー等を用いて脚部に付着させる）を行っても同様な調整が可能である。但し周波数変化方向は逆になるので、対称モードの周波数が非対称モードの周波数よりも低い状態から調整を出発させるのがよい。三脚音叉を１枚の水晶材などのウェハーから多数個取りを行う場合、ウェハー上に形成された三脚音叉や付加質量等の均質性が極めて優れている場合、バランス調整や離調度調整を個々の音叉についてではなく、ウェハー単位で一挙に同時的に行い得る。この場合にはむしろ蒸着等による質量追加の方法が個別のトリミングよりも作業工数的に有利になる場合があり得る。
【００３０】
また三脚音叉は図１に示したものに限定されない。例えば材質は水晶でなく、他の圧電性結晶あるいは磁器材料でもよい。電極形状も自由である。両外脚の形状は屈曲部を持たない真直脚でもよい。またＶ−ｍｏｄｅで発振させ使用する振動子を調整する目的に対しても（電極の形状選択と適宜組み替えにより調整時にＨＳまたはＨＡモードで発振させることは可能）本発明は有効である。また角速度センサ以外の用途（例えば周波数基準とする等）を含む三脚音叉の調整に対しても本発明を適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明においては、中脚の振幅によりバランス調整状態と周波数を判断できるので、三脚音叉の構成に余分の負担を与えず、確実かつ迅速で無駄がなく合理的・能率的に実施することができる調整作業の方法を提供することができた。従ってジャイロセンサのノイズを低減し性能向上と低コスト化に寄与することができた。
更に加工すべき外脚を中脚の位相情報により選択することにより、一層作業を能率化することができた。
【００３２】
またバランス調整がなされた三脚音叉の中脚加工を行うことによって、離調度の調整を単独かつ容易に行うことができた。従ってジャイロセンサの感度と安定度の性能向上と低コスト化に寄与することができた。
また更に対称モードの周波数を非対称モードの周波数よりもやや高くしておいて中脚をトリミングするか、あるいは対称モードの周波数を非対称モードの周波数よりもやや低くしておいて中脚に質量追加を行うことにより、対称モードの周波数と非対称モードの周波数の離調度の調整作業を容易かつ確実に実行することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の周波数調整方法が適用される三脚音叉の実施の形態の一例の正面図である。
【図２】前図におけるＡ−Ａ断面図であるとともに、電極の結線を示す図である。
【図３】三脚音叉の主な振動モードとセンサ作用を示す、線画による概念図である。（ａ）は駆動用のＨＳ−ｍｏｄｅ（対称モード）、（ｂ）は該モードで角速度Ωｚにより生起されるＨＡ−ｍｏｄｅ（非対称モード）の検出用の振動姿態、（ｃ）は他の駆動用の振動姿態であるＶ−ｍｏｄｅ（面垂直モード）、（ｄ）は該モードにおいて角速度Ωｙにより生起される検出用のＨＡ−ｍｏｄｅの振動姿態を示す。
【図４】発振波形に対する中脚からの検出電圧の位相関係を示す波形図である。
【図５】各図は周波数調整トリミングの進行に対する諸量の変化の実験結果のグラフであり、（ａ）は外脚の加工に対する中脚の検出電圧と位相の変化、（ｂ）は中脚加工に対する、（ｃ）は両外脚加工に対する、２種のモードの周波数変化を示している。
【符号の説明】
１　三脚音叉
１ａ　基部
１ｂ　左外脚
１ｃ　右外脚
１ｄ　中脚
１１ｂ、１１ｃ　屈曲部
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ　電極膜
１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ　粗調膜
１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ　微調膜
３ｂ、３ｃ、３ｄ、４ｂ、４ｃ、４ｄ　電極端子
５　発振波形
６、７　中脚の検出電圧波形
Ｆｃｙ、Ｆｃｚ　コリオリ力
ｔ　時間軸
Ｖ　電圧
Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ　速度ベクトル
Ｘ、Ｙ、Ｚ　座標軸
Ωｙ、Ωｚ　回転角速度
【図１】
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【図２】
2004077453.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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