JP2004150996A - Electrode structure of angular velocity detecting sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、励振電極に交流電圧(励振振動信号)を印加することによって振動子がX軸方向に励振しているとき、この振動子のY軸方向の回りに作用する回転角速度をコリオリの力により角速度検出用電極に生ずる電荷量に基づいて、角速度の大きさを検出する圧電振動式角速度センサ素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、角速度を検出するセンサとして様々なジャイロスコープ(以下、ジャイロという)が開発されている。その種類は大まかに機械式のコマジャイロ、流体式のガスレートジャイロ、音片・音叉の振動を用いる振動ジャイロ、光学式の光ファイバジャイロとリングレーザージャイロに分類される。光学式のジャイロはサニャック効果、それ以外のものは回転運動をするとき、慣性力(見かけの力)のひとつ、コリオリ力を用いて角速度の検出を行っており、使用用途により精度と価格、寸法等が勘案され使用するセンサが選択されている。
【0003】
圧電振動式角速度センサを車両や航空機等に搭載し、その走行あるいは飛行軌跡を記録したり、旋回時に発生する角速度(鉛直線を中心とする大地に水平な面内での回転の角速度)を検出することが行われている。自動車用途ではシャシー系の制御やナビゲーションシステムの方位算出等に用いられる。例えば急旋回時の車両姿勢制御の場合には、車両の姿勢情報として角速度やロールレイト(車両進行方向を軸とする回転の角速度)を制御システム側にフィードバックし、姿勢制御性能を向上させるために用いられる。またナビゲーションシステムの場合には、角速度を時間積分することによって車両の旋回角度を算出するために用いられる。また、この角速度センサをロボットに搭載して、その姿勢制御等にも応用されている。他にビデオカメラやスチルカメラの手ぶれ補正システム等にも用いられている。
【0004】
図1は水晶を用いた音叉型角速度センサ素子1の要部を示す一例の斜視図である。同図において1はセンサ素子(水晶板)、3−1、3−2は励振電極、4−1、4−2は角速度検出電極であり、励振電極4−1、4−2はセンサ素子1の対向する2本の脚部2−1および2−2のどちらか一方の前後および左右の面に、角速度検出用電極4−1、4−2はもう一方の脚部の左右の面に設けられている。図1では励振電極を脚部2−2に、検出電極を脚部2−1に配置されている。
【0005】
この角速度センサ素子において、図2に示すように励振電極3−1が端子P1に接続され、励振電極3−2が端子P2に接続される。また検出電極4−1が端子P3に接続され、検出電極4−2がP4に接続される。
【0006】
ここでセンサ素子1の短辺に平行で、水晶結晶の電気軸の方向をX軸方向、長辺方向をY軸方向、X−Y平面と直交する方向(センサ素子の板面に垂直な方向)をZ軸方向とする。ここで、端子P1とP2との間に交流電圧(励振振動信号)e1を印加すると、水晶内に図2中脚部2−2に示すような電界が発生する。このとき励振脚部内には、電界のX軸方向成分の大きさに比例する歪みがY軸方向に発生する。次には逆方向の電界が発生することにより、センサ素子1の2本の脚部2−1および2−2はX軸方向に逆相で振動することとなる。
【0007】
このとき、Y軸の回りに回転角速度が作用すると、すなわちセンサ素子1がY軸中心に回転すると、コリオリの力によりZ軸方向の振動成分が生じる。この振動成分の振幅の大きさはコリオリの力に比例しているので、センサ素子1の2本の脚部2−1および2−2には圧電効果により、回転角速度に比例した量の電荷が発生する。
【0008】
これにより、図2中脚部2−1に示すように端子P3と端子P4との間に、あるときには矢印の方向、次には逆方向の電荷が発生し、コリオリの力に応じた電気信号es1が得られる。この電気信号es1の大きさによって、Y軸方向の回りに作用する回転角速度の大きさを知ることができる。また、この電気信号es1は基本的にサインカーブとして得られ、この電気信号es1の波形と交流電圧e1の波形(励振波形)とを位相比較することにより、その位相の進み遅れで回転角速度の方向も知ることができる。
【0009】
また、端子P1とP2との間に印加される交流電圧e1に対して、端子P3とP4との間に得られる電気信号es1は桁違いに小さい。
【0010】
端子P1、P2、P3、P4をそれぞれワイヤボンディングで外部に接続を行う。
【0011】
【特許文献1】
特開2002−039760号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
角速度検出センサ素子の小型化に伴い、各電極間の距離間隔が狭くなると、角速度検出センサ素子において電極間の信号電位が異なるため容量結合による信号の伝達が発生し、これが検出信号に不要信号として検出される。これを電気的クロストークという。この電気的クロストークの影響を削減する構造をもつ角速度検出センサ素子を提供する。
【0013】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するために本発明は、Y軸に平行に基部から突出した少なくとも2つの脚部を持つ音叉型振動子を用いた角速度検出センサ素子において、
該センサ素子面の該励振電極に接続するための信号パッドと、該角速度検出電極に接続するための信号パッドを、それぞれ該センサ素子面の異なる面に配置することを特徴とする角速度検出センサ素子の電極構造である。
【0014】
そして、信号パッド部の一方がバンプにより形成され、外部との導通のための接続用に用いることも特徴とする角速度検出センサ素子の電極構造である。
【0015】
要するに、Y軸に平行に基部から突出した少なくとも2つ脚部を持つ音叉型振動子を用いた角速度検出センサ素子において、脚部に配置された励振電極、角速度検出電極は基部の信号パッド部に接続されるが、この基部に配置される励振電極の信号パッド部、角速度検出電極の信号パッド部をそれぞれ裏側になる面に配置することで、励振電極、角速度検出電極の信号パッド部で起こる容量結合を削減させ、また信号パッド部を異なる面に配置することで、励振電極、角速度検出電極間の距離も大きくできるため、電極間での容量結合も軽減できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施の一形態について説明する。なお、各図において同一の符号は同じ対象を示すものとする。
【0017】
図3、図4のセンサ素子5に示す角速度検出センサ素子における一例を示す斜視図である。ここで図4は図3のセンサ素子5を、Y軸を軸として180度反転させたものを示した斜視図である。図5は図3のセンサ素子5を上部からY軸に垂直に見たときの電極の配置図である。
【0018】
図3、図4、図5に示した脚部2−4に配置された電極6−1、6−2を励振電極、脚部2−3に配置された電極7−1、7−2を角速度検出電極とする。励振電極6−1を図5に示すように端子P5につなぎ、励振電極6−2を端子P6につなぐ。また角速度検出電極7−1を端子P8につなぎ、角速度検出電極7−2を端子P7につなぐ。
【0019】
端子P5、P6と端子P7、P8は図3、図4に示すように互いに裏となる面に配置する。そのため、支持台8に本発明のセンサ素子5を搭載し支持した場合には、図4の表面となる検出電極の信号パッド10がある面(図中では支持台と接する面)をバンプ9により信号パッド10部を外部端子と接続させて接着を行ない、図3の表面となる励振電極の信号パッド10がある面をワイヤボンディングによって外部端子と接続する。このような角速度検出センサ素子5の支持構造を図6に斜視図で示す。
【0020】
図6は本発明のセンサ素子5(詳細な電極構造は図示しない)を搭載し支持する一例であるが、センサ素子5の信号パッドにはバンプ9が形成されており、支持台8の接続端子部11とは電気的な接続が成されている。従って、センサ素子5が支持台8と接する面はバンプ9での接続となり、センサ素子5の表面として見える面は、例えばワイヤ接続で電気的な接続がなされている。なお、本発明に示すセンサ素子5の角速度の検出方法は、図1、図2に示した従来型のものと同様である。
【0021】
なお、本実施例に示す角速度検出センサ素子は、音叉型形状を一例として説明しているが、センサ素子5の形状については音叉型形状に限定するもので無く、脚部が両方向に延びるH型構造であったり、同一方向に複数脚部を持つ形状であっても同様の効果を奏することは言うまでも無い。
【0022】
【発明の効果】
本発明により、励振電極、角速度検出電極の信号パッド部を異なる面に配置することで、電極(信号パッド)部の容量結合を削減させ、上記の信号パッド部を異なる面に配置することにより、励振電極、検出電極間の距離をより大きくすることができるので、電極間の容量結合も軽減され電気的クロストークも軽減することができるため、検出信号中の不要信号を小さくすることができる。これによって、より高感度、高精度な角速度センサ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の角速度検出センサ素子の一例を示す斜視図である。
【図2】図1の角速度検出センサ素子を上部からY軸に対して垂直に見た電極配置図である。
【図3】本発明の角速度検出センサ素子の励振電極側から見た斜視図である。
【図4】図3の角速度検出センサ素子をY軸を軸として180度回転させた斜視図である。(図3の裏側)
【図5】図3、図4の角速度検出センサ素子を上部から、Y軸に対して垂直に見た電極配置図である。
【図6】本発明の角速度センサ素子の支持形態の一例を示した斜視図である。
【符号の説明】
1 角速度検出センサ素子
2−1、2−2、2−3、2−4 脚部
3−1、3−2 励振電極
4−1、4−2 角速度検出電極
5 角速度検出センサ素子
6−1、6−2 励振電極
7−1、7−2 角速度検出電極
8 支持台
P1、P2、P3、P4 端子
P5、P6、P7、P8 端子
9 バンプ
10 信号パッド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
According to the present invention, when the vibrator is excited in the X-axis direction by applying an AC voltage (excitation vibration signal) to the excitation electrode, the rotational angular velocity of the vibrator acting around the Y-axis direction is determined by the Coriolis force. The present invention relates to a piezoelectric vibration type angular velocity sensor element for detecting the magnitude of angular velocity based on the amount of electric charge generated in an angular velocity detecting electrode.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various gyroscopes (hereinafter, referred to as gyroscopes) have been developed as sensors for detecting angular velocity. The types are roughly classified into mechanical gyroscopes, mechanical gas gyroscopes, vibrating gyroscopes using vibrating vibrating reeds and tuning forks, optical fiber gyroscopes, and ring laser gyroscopes. The optical gyro uses the Sagnac effect, and the others use the Coriolis force, which is one of the inertial forces (apparent force) when rotating, to detect angular velocity. Depending on the intended use, accuracy, price and dimensions The sensor to be used is selected in consideration of the above.
[0003]
A piezoelectric vibration type angular velocity sensor is mounted on a vehicle or aircraft to record its running or flight trajectory, and to detect the angular velocity (angular velocity of rotation in a plane horizontal to the earth centered on the vertical line) generated when turning. That is being done. In automotive applications, it is used for control of chassis systems and calculation of direction of navigation systems. For example, in the case of vehicle attitude control during a sharp turn, in order to improve the attitude control performance, the angular velocity and roll rate (the angular velocity of rotation about the vehicle traveling direction as an axis) are fed back to the control system as the attitude information of the vehicle. Used. In the case of a navigation system, it is used to calculate the turning angle of the vehicle by integrating the angular velocity with time. Further, the angular velocity sensor is mounted on a robot, and is applied to attitude control thereof. In addition, they are also used in camera shake correction systems for video cameras and still cameras.
[0004]
FIG. 1 is a perspective view of an example showing a main part of a tuning fork type angular
[0005]
In this angular velocity sensor element, as shown in FIG. 2, the excitation electrode 3-1 is connected to the terminal P1, and the excitation electrode 3-2 is connected to the terminal P2. The detection electrode 4-1 is connected to the terminal P3, and the detection electrode 4-2 is connected to P4.
[0006]
Here, the direction parallel to the short side of the
[0007]
At this time, when a rotational angular velocity acts around the Y axis, that is, when the
[0008]
As a result, electric charges are generated between the terminals P3 and P4 in the direction indicated by the arrow and then in the opposite direction between the terminals P3 and P4 as shown in the middle leg portion 2-1 in FIG. 2, and an electric signal corresponding to the Coriolis force is generated. es1 is obtained. The magnitude of the rotational angular velocity acting around the Y-axis direction can be known from the magnitude of the electric signal es1. The electric signal es1 is basically obtained as a sine curve. By comparing the phase of the waveform of the electric signal es1 with the waveform of the AC voltage e1 (excitation waveform), the direction of the rotational angular velocity is determined by the phase lead / lag. You can also know.
[0009]
Also, the electric signal es1 obtained between the terminals P3 and P4 is orders of magnitude smaller than the AC voltage e1 applied between the terminals P1 and P2.
[0010]
The terminals P1, P2, P3, and P4 are respectively connected to the outside by wire bonding.
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2002-039760 A
[Problems to be solved by the invention]
When the distance between the electrodes becomes narrower with the downsizing of the angular velocity detection sensor element, the signal potential between the electrodes in the angular velocity detection sensor element differs, so that signal transmission due to capacitive coupling occurs, which is an unnecessary signal in the detection signal. Is detected. This is called electrical crosstalk. An angular velocity detection sensor element having a structure for reducing the influence of the electric crosstalk is provided.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the problem, the present invention provides an angular velocity detection sensor element using a tuning fork type vibrator having at least two legs protruding from a base parallel to the Y axis.
A signal pad for connecting to the excitation electrode on the sensor element surface and a signal pad for connecting to the angular velocity detection electrode on different surfaces of the sensor element surface, respectively. Electrode structure.
[0014]
The electrode structure of the angular velocity detection sensor element is also characterized in that one of the signal pad portions is formed by a bump and is used for connection for conduction with the outside.
[0015]
In short, in an angular velocity detecting sensor element using a tuning fork type vibrator having at least two legs protruding from the base parallel to the Y axis, the excitation electrode and the angular velocity detecting electrode arranged on the legs are connected to the signal pad of the base. Although connected, the signal pad portion of the excitation electrode and the signal pad portion of the angular velocity detection electrode arranged on this base are respectively arranged on the back surface, so that the capacitance generated in the signal pad portion of the excitation electrode and the angular velocity detection electrode By reducing the coupling and arranging the signal pads on different surfaces, the distance between the excitation electrode and the angular velocity detection electrode can be increased, so that the capacitive coupling between the electrodes can be reduced.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same reference numeral indicates the same object.
[0017]
FIG. 5 is a perspective view showing an example of an angular velocity detecting sensor element shown in the
[0018]
The electrodes 6-1 and 6-2 arranged on the leg 2-4 shown in FIGS. 3, 4 and 5 are excitation electrodes, and the electrodes 7-1 and 7-2 arranged on the leg 2-3 are Angular velocity detection electrode. The excitation electrode 6-1 is connected to the terminal P5 as shown in FIG. 5, and the excitation electrode 6-2 is connected to the terminal P6. The angular velocity detecting electrode 7-1 is connected to the terminal P8, and the angular velocity detecting electrode 7-2 is connected to the terminal P7.
[0019]
The terminals P5 and P6 and the terminals P7 and P8 are arranged on the surfaces opposite to each other as shown in FIGS. Therefore, when the
[0020]
FIG. 6 shows an example of mounting and supporting the
[0021]
Although the angular velocity detecting sensor element shown in the present embodiment has been described by taking a tuning fork type shape as an example, the shape of the
[0022]
【The invention's effect】
According to the present invention, by arranging the signal pads of the excitation electrode and the angular velocity detection electrode on different surfaces, the capacitive coupling of the electrodes (signal pads) can be reduced, and the signal pads can be arranged on different surfaces. Since the distance between the excitation electrode and the detection electrode can be increased, the capacitive coupling between the electrodes can be reduced, and the electric crosstalk can be reduced. Therefore, an unnecessary signal in the detection signal can be reduced. Thereby, a higher sensitivity and higher accuracy angular velocity sensor element can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a conventional angular velocity detection sensor element.
FIG. 2 is an electrode arrangement view of the angular velocity detection sensor element of FIG. 1 viewed from above and perpendicular to the Y axis.
FIG. 3 is a perspective view of the angular velocity detecting sensor element of the present invention as viewed from an excitation electrode side.
FIG. 4 is a perspective view in which the angular velocity detection sensor element of FIG. 3 is rotated by 180 degrees around a Y axis. (Back side of FIG. 3)
FIG. 5 is an electrode arrangement view of the angular velocity detection sensor element of FIGS. 3 and 4 viewed from above and perpendicular to the Y axis.
FIG. 6 is a perspective view showing an example of a supporting form of the angular velocity sensor element of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 angular velocity detecting sensor elements 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 legs 3-1 and 3-2 excitation electrodes 4-1, 4-2 angular
Claims (2)
該センサ素子面の該励振電極に接続するための信号パッドと、該角速度検出電極に接続するための信号パッドを、それぞれ該センサ素子面の異なる面に配置することを特徴とする角速度検出センサ素子の電極構造。In an electrode structure of an angular velocity detection sensor element using a tuning fork type vibrator having at least two legs protruding from a base parallel to the Y axis,
A signal pad for connecting to the excitation electrode and a signal pad for connecting to the angular velocity detection electrode on the sensor element surface, each being arranged on a different surface of the sensor element surface. Electrode structure.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002317828A JP2004150996A (en) | 2002-10-31 | 2002-10-31 | Electrode structure of angular velocity detecting sensor element |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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ID=32461124
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