JP2004279271A

JP2004279271A - 圧電材料を利用したセンサ及びジャイロセンサ

Info

Publication number: JP2004279271A
Application number: JP2003072370A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Takayama; 勝己高山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】検出用電極の検出信号に含まれるノイズを打ち消すことで高感度なセンサ及びジャイロセンサを提供する。
【解決手段】側面及び主面２１ａ，２１ｂを有し、固定される基部２１と、この基部２１から延びる振動腕２２，２２と、振動腕２２，２２に設けられており、駆動信号が印加されることで振動腕２２，２２を基部２１の厚み方向Ｚに対して垂直な方向Ｘに屈曲駆動させる駆動用電極２５ａ，２５ｂと、基部２１の一方の主面２１ａに設けられており、外部から作用する力に対応した検出信号を検出する検出用電極２７ａ，２７ｂと、基部２１の一方の主面２１ａとは反対側の他方の主面２１ｂに設けられており、検出用電極２７ａ，２７ｂの検出信号に含まれるノイズを打ち消すための調整信号が印加される調整用電極２７ｃ，２７ｄと、を備えることを特徴とする、圧電材料を利用したセンサ２０。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、圧電材料の振動を検出する圧電材料を利用したセンサ及びジャイロセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電材料の振動や変位等を利用して、加速度や角速度等を検出する各種のセンサが広く利用されている。
図９は、従来の圧電材料を利用したセンサの簡単な構成例を示す斜視図である（特許文献１参照）。
この従来のセンサは、振動子として音叉を用いた音叉型の振動ジャイロに適用したものである。符号１は２本のアーム１ａ，１ａを持つ音叉、符号２は支持棒である。
【０００３】
音叉１の駆動振動方向（ｘ方向）と直交する１つの面に同じ極性の２枚の駆動用圧電素子３ａ，３ｂをｙ方向左右に並べて縦に貼り付け、ｘ方向と平行な面（ｙ方向に直行する面）に検出用圧電素子４，４を貼り付けている。前記２枚の駆動用圧電素子３ａ，３ｂは、それぞれ可変抵抗器７の２つの端子に接続され、可変抵抗器７の摺動端子に高周波の駆動電源６が接続されている。尚、図示のように金属製である音叉１は接地されている。
【０００４】
上記振動ジャイロにおいて、２つの駆動用圧電素子３ａ、３ｂに駆動電源６より電圧を印加すると、音叉１がｘ方向に振動する。そして、この音叉１にｚ軸周りの回転角速度が加わると、ｙ方向のコリオリの力が発生して音叉１がｙ方向に振動する。この検出側振動を検出用圧電素子４が検出することで、外部から作用した力による回転角速度が検出される。
【０００５】
ここで、音叉１の製造精度が悪いと、音叉１の振動にはｙ方向成分が生ずる。このｙ方向成分は、検出用圧電素子４，４に漏れ電圧として検出され、外部から作用した力による回転角速度の検出に誤差を生ずる。従って、音叉１の駆動振動方向が正しくｘ方向となるように調整する必要があるが、これには可変抵抗器７を調整して２つの駆動用圧電素子３ａ、３ｂに印加する駆動電圧のバランスを変化させる。これにより、音叉１のアーム１ａ，１ａのｙ方向の片側部分（駆動用圧電素子３ａ側の部分）と他の片側部分（駆動用圧電素子３ｂ側の部分）における駆動力バランスを調整することにより行うことができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４−１０２０１３号（第１図、第３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特に振動ジャイロの小型化が進むにつれて、このように音叉１の一方の細かいアーム１ａの側面を異極に分割して駆動用圧電素子３ａ，３ｂを設けることは困難となってくる。また、このように音叉１の細かいアーム１ａに駆動用圧電素子３ａ，３ｂを設けることは、構造を複雑にし、製造コストがかかってしまう問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解消して、検出用電極の検出信号に含まれるノイズを打ち消すことで高感度なセンサ及びジャイロセンサを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本願発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、側面及び主面を有し、固定される基部と、この基部から延びる振動腕と、前記振動腕に設けられており、駆動信号が印加されることで前記振動腕を前記基部の厚み方向に対して垂直な方向に屈曲駆動させる駆動用電極と、前記基部の一方の主面に設けられており、前記外部から作用する力に対応した検出信号を検出する検出用電極と、前記基部の一方の主面とは反対側の他方の主面に設けられており、前記検出用電極の検出信号に含まれるノイズを打ち消すための調整信号が印加される調整用電極とを備えることを特徴とする、圧電材料を利用したセンサにより、達成される。
上記構成によれば、静止状態において、一方の主面に設けられた検出用電極の検出信号にノイズが含まれている場合には、他方の主面に設けられた調整用電極に調整信号が入力される。この調整用電極は、この調整信号による圧電効果に基づいて、検出用電極の検出信号に含まれたノイズを打ち消すように基部を振動させるものである。従って、このセンサは、検出用電極の検出信号に含まれていたノイズが除去されることから、外部から作用した力による角速度を高感度に検出することができるようになる。尚、主面とは、基部の厚み方向に沿った互いに対をなす側面と連続する、基部の厚み方向に垂直な方向に沿った面をいう。
【００１０】
上記構成において、前記調整信号は、前記駆動信号を分離した信号を可変抵抗の抵抗値を変更することで振幅を変化させて生成されるのが好ましい。
上記構成によれば、静止状態において検出用電極の検出信号にノイズが含まれている場合には、駆動信号を分離した信号を可変抵抗の抵抗値を変更することで振幅が調整された調整信号が調整用電極に入力される。この調整用電極は、この調整信号による圧電効果に基づいて、検出用電極の検出信号に含まれたノイズを打ち消すように基部を振動させるものである。従って、このセンサは、検出用電極の検出信号に含まれていたノイズが除去されることから、外部から作用した力による角速度を高感度に検出することができるようになる。
【００１１】
上記構成において、前記基部には複数の溝が形成されており、前記調整用電極は、これら複数の溝の間の前記圧電材料を挟んで対向する両壁面に２対設けられているのが好ましい。
上記構成によれば、調整用電極は、調整信号による圧電効果に基づいて、２対の調整用電極間の圧電材料にほぼ平行な方向に電界を発生させ、検出用電極の検出信号に含まれるノイズを打ち消すように、基部を振動させる。従って、このセンサは、検出用電極の検出信号に含まれたノイズが打ち消され、外部から作用する力に対応した角速度を高感度に検出することができるようになる。
【００１２】
上記構成において、前記２対の調整用電極は、前記他方の主面に、複数の前記振動腕に対応して複数設けられているのが好ましい。
上記構成によれば、各振動腕に対応してそれぞれ設けられた２対の調整用電極は、この調整信号による圧電効果に基づいて、検出用電極の検出信号に含まれたノイズを打ち消すように基部を振動させる。従って、このセンサは、各振動腕に対応して、検出用電極の検出信号に含まれていたノイズが除去されることから、外部から作用した力による角速度をさらに高感度に検出することができるようになる。
【００１３】
上記構成において、前記圧電材料が単結晶材料であるのが好ましい。
上記構成によれば、圧電材料が単結晶材料である場合には、一般的に単結晶材料は多結晶材料に比べて安定性は高いが電気機械結合係数が低いので、安定した検出感度を得ることができるという利点がある。
【００１４】
上記構成において、前記圧電材料が水晶であるのが好ましい。
上記構成によれば、水晶は単結晶材料の中でも最も安定しているため、特に安定した検出感度を得ることができる。また、水晶は加工が容易であるため、安価に製造する事ができる。
【００１５】
上記目的は、本願発明によれば、圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、センサ本体を励振する手段と、前記センサ本体からの検出信号を処理する手段とを有し、前記センサ本体が、側面及び主面を有し、固定される基部と、この基部から延びる振動腕と、前記振動腕に設けられており、駆動信号が印加されることで前記振動腕を前記基部の厚み方向に対して垂直な方向に屈曲駆動させる駆動用電極と、前記基部の一方の主面に設けられており、前記外部から作用する力に対応した検出信号を検出する検出用電極と、前記基部の一方の主面とは反対側の他方の主面に設けられており、前記検出用電極の検出信号に含まれるノイズを打ち消すための調整信号が印加される調整用電極とを備えることを特徴とする、ジャイロセンサにより、達成される。
上記構成によれば、静止状態において、一方の主面に設けられた検出用電極の検出信号にノイズが含まれている場合には、他方の主面に設けられた調整用電極に調整信号が入力される。この調整用電極は、この調整信号による圧電効果に基づいて、検出用電極の検出信号に含まれたノイズを打ち消すように基部を振動させるものである。従って、このジャイロセンサは、検出用電極の検出信号に含まれていたノイズが除去されることから、外部から作用した力による角速度を高感度に検出することができるようになる。尚、主面とは、基部の厚み方向に沿った互いに対をなす側面と連続する、基部の厚み方向に垂直な方向に沿った面をいう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の好ましい実施形態としてのセンサ本体２０の構成例を示す斜視図であり、図２は、図１のセンサ本体２０の裏面２１ｂの構成例を示す概略平面図である。
これらの図において、符号２０で示すセンサ本体は、後述するジャイロセンサのセンサ本体として利用されたり、例えば流水中のプロペラの回転等を検出してフローセンサ等に応用できるセンサとして利用されるものである。以下の説明では、符号２０に対応するセンサはジャイロセンサのセンサ本体と例示して説明する。
【００１７】
図１及び図２において、センサ本体２０は、圧電材料で構成されており、好ましくは単結晶の圧電材料であり、例えば水晶が使用されている。この場合、水晶以外の圧電材料として、例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。図１、図２（及び後述する図６及び図７）において、Ｘ方向は水晶の電気軸、Ｙ，Ｚ方向は水晶の機械軸、光軸を示している。
【００１８】
センサ本体２０は、一方向（図２においてＹ軸の方向）に延びるほぼ矩形の基部２１と、この基部２１から、股部２４を挟んでＹ軸方向に平行に延びる一対の振動腕２２，２２とを有する、所謂音叉型の圧電振動片の形態を備えている。図２の振動腕２２，２２には、それぞれ根元部若しくは付け根２２ａ、２２ａの箇所に近接して、長さ方向に延びる溝２３，２３が形成されている。これら溝２３，２３は、振動腕２２の表裏に同様の形状となるように形成されている。
【００１９】
また、各溝２３，２３には、そのほぼ全長に渡って、センサ２０に駆動電圧を印加するための駆動用電極である励振電極２５ａ，２５ｂが形成されている。具体的には、溝２３の各側壁と、各側壁に近接した振動腕２２の各側壁とで互いに対になるように、互いに異極となる励振電極２５ａ、２５ｂが形成されている。励振電極２５ｂは、例えば接地されている。この励振電極２５ａ，２５ｂは、例えば圧電材料の表面にクロム及び金により形成されている。
【００２０】
そして、励振電極２５ａ、２５ｂは、例えば図１に示すように基部２１の長さ方向の中央付近で、幅方向の両端にそれぞれ設けた引き出し電極３１，３１と接続されている。さらにセンサ本体２０の基部２１の長さ方向の中央付近で、幅方向の両端には、くびれ部若しくは切欠き部３３，３３が形成されている。これにより、振動腕２２，２２からの振動の基部２１側への漏れ込みを抑制するようになっている。
【００２１】
また、基部２１の表面２１ａには、各振動腕２２，２２に対応して、例えば各振動腕２２，２２を長さ方向に基部２１へ向かって延長した領域に、それぞれ図１に示すように検出用電極２７ａ，２７ｂ，２７ａ，２７ｂを備えている。一方、基部２１の表面２１ａとは反対側の裏面２１ｂには、図２に示すように各振動腕２２，２２に対応して、例えば各振動腕２２，２２を長さ方向に基部２１へ向かって延長した領域に、それぞれ後述する調整用電極２７ｃ，２７ｄ，２７ｃ，２７ｄが設けられている。調整用電極２７ｃ，２７ｃは、調整用信号が印加される電極３１ａに接続されており、調整用電極２７ｄ，２７ｄは、接地された電極３１ｂに接続されている。
【００２２】
この基部２１には、好ましくは図１及び図２に示すように表面２１ａ及び裏面２１ｂにおいて振動腕２２，２２を長さ方向に延長した領域に、それぞれＹ軸方向に延びる平行な各一対の検出用溝２６ａ，２６ａ及び調整用溝２６ｂ，２６ｂが形成されている。図２の基部２１の調整用溝２６ｂ，２６ｂは、それぞれ図１の検出用溝２６ａ，２６ａとほぼ同様の形状である。
【００２３】
図３は、図２のＢ−Ｂ線切断端面図であり、図４及び図５は、それぞれ図２に示すＡ−Ａ線切断端面図である。
図３に示す基部２１の表面２１ａにおけるこれら各一対の検出用溝２６ａ，２６ａにおいては、圧電材料を挟んで対向する両壁面に検出用電極２７ａ，２７ｂをそれぞれ形成している。これら検出用電極２７ａ，２７ｂは、互いに異極となるように構成されている。尚、検出用電極２７ａ，２７ｂは、溝を形成して設ける代わりに、基部２１の裏面２１ｂに沿って設けても良い。
【００２４】
本実施形態においては、例えば図３に示すように各一対の検出用溝２６ａ，２６ａを形成して、検出用電極２７ａ，２７ｂを設けるのが望ましい。これにより、基部２１を構成する圧電材料においては、検出用電極２７ａ，２７ｂの間で、例えば矢印で示すように電界が形成されることで、検出信号を得るための電界効率が向上し、検出効率を高めることができる。
【００２５】
一方、基部２１の裏面２１ｂに形成された一対の調整用溝２６ｂ，２６ｂにおいては、圧電材料を挟んで対向する壁面に調整用電極２７ｃ，２７ｄを形成している。図２等に示すセンサ２０は、例えば製造時において振動腕２２，２２等に形成される異形形状や、その製造ばらつきによる両振動腕２２，２２のアンバランス等を原因として、外部から作用する力による回転角速度ωに基づく、ウォーク振動以外の振動を生ずる場合がある。以下、このようなウォーク振動以外の振動を「振動漏れ」という。
【００２６】
このような振動漏れを生ずると、センサ２０は、静止状態にも拘わらず、検出用電極２７ａ，２７ｂの検出信号にノイズが生じてしまう。図３の調整用電極２７ｃは、検出用電極２７ａ，２７ｂの検出信号に含まれるノイズを除去するための調整信号が印加され、調整用電極２７ｄは例えば接地されている。尚、調整用電極２７ｃ，２７ｄは、このような調整用溝２６ｂ，２６ｂに形成する代わりに、基部２１の裏面２１ｂに沿って形成するようにしても良い。
【００２７】
基部２１においては、例えばウォーク振動以外のノイズの原因である振動漏れにより、図４に示すように検出用電極２７ａ，２７ｂ間の圧電材料が例えば縮むと、この縮みによって圧電材料には発生電界Ｅ１が発生する。そして、検出用電極２７ａ，２７ｂには、この発生電界Ｅ１に対応した検出信号が検出される。従って、未調整の段階では、この検出用電極２７ａ，２７ｂの検出信号にウォーク振動以外のノイズが含まれていることになる。このウォーク振動以外のノイズは、上記駆動信号に基づいて屈曲振動する振動腕２２の振動に起因するため、上記駆動信号と同相の信号となる。
【００２８】
これに対して、図５の調整用電極２７ｃには調整信号が印加される。この調整信号は、例えば上記駆動信号を分離した信号を後述するように可変抵抗で振幅を変えて生成しているため、上記駆動信号と同相の信号である。調整用電極２７ｃ，２７ｄは、印加された調整信号に基づいて、調整用電極２７ｃ，２７ｄ間の圧電材料に印加電界Ｅ２を発生させる。発生電界Ｅ１が発生した圧電材料は、その圧電現象により例えば縮む。従って、基部２１は、圧電材料の表面２１ａ側と裏面２１ｂ側が共に縮むため、ウォーク振動以外の振動漏れが抑制されるようになる。
【００２９】
図６は、本実施形態による圧電材料を利用したセンサ２０をセンサ本体として利用したジャイロセンサの概略構成例を示すブロック図である。
ジャイロセンサ１０は、センサ本体２０及び処理回路５１を備え、処理回路５１は、このセンサ本体２０を励振させ駆動するための回路及び、センサ本体２０からの信号を検出する検出回路を備えている。
【００３０】
センサ本体２０は、図示しない例えばセラミック等の絶縁材料等で形成されたパッケージやケースに気密に収容されている。このセンサ本体２０は、外部との導通を行う端子である引き出し電極３１が導電性接着剤やワイヤボンディング等によりパッケージ内の端子と接続されている。
処理回路５１は、図示されているように、後述する各回路を集積した一つ又は複数の集積回路で形成されている。尚、或いは処理回路５１に含まれる一部の回路だけ集積回路とは別に構成しても良い。
【００３１】
増幅回路５２，５３は、センサ本体２０の引き出し電極３２ａ，３２ｂ，３２ａ、３２ｂと接続されている。これにより、増幅回路５２，５３には、センサ本体２０の後述するウォーク振動による検出用電極２７ａ，２７ｂの出力信号が引き出し電極３２ａ，３２ｂ，３２ａ，３２ｂを介して入力される。そして、この増幅回路５２，５３は、この出力信号を増幅した増幅信号を差動回路５４に与えるものである。
【００３２】
差動回路５４は、同期検波回路５７と発振回路５６に接続されている。差動回路５４は、図１で説明したように、複数対、この場合においては２対の検出用電極２７ａ，２７ｂの第１の出力と第２の出力との出力差を取る。これによりセンサ本体２０に加わった衝撃（加速度ａ）によって生じた不要な検出信号を打ち消すことができる。
【００３３】
すなわち、センサ本体２０に外部から作用した角速度ωが加わると、振動腕２２，２２は互いに逆方向となるようにＺ方向に振動し、検出用電極２７ａ等からは逆相の信号が出力されるため、差を取ると信号の振幅が倍になる。Ｚ方向に加速度ａが加わると検出用電極２７ａ等の同相信号が出力されるため、差を取ることで打ち消すことができるものである。差動回路５４の出力信号は、この同期検波回路５７に与えられる。同期検波回路５７は、発振回路５６から得られる周波数を基準として、差動回路５４からの出力信号を同期検波するものである。このように同期検波すると、コリオリの力によるウォーク振動以外のノイズ等を除去することができる。
この実施形態では、例えば可変抵抗Ｒ自体をレーザによりトリミングすることにより抵抗値を変更する方式を採用している。
【００３４】
発振回路５６は、センサ本体２０の励振電極２５ａ，２５ｂに接続された引き出し電極３１に接続されている。この発振回路５６は、センサ本体２０の振動腕２２，２２を駆動するための駆動電圧を印加する機能を有する。ＡＧＣ（オート・ゲイン・コントローラ）５５は、発振回路５６の出力信号のゲインを調整して、振動腕２２，２２が一定の振幅で振動するように制御するものである。また、可変抵抗Ｒは、一方の端子がＡＧＣ５５等に接続されており、他方の端子が調整用電極２７ｃに接続されている。この可変抵抗Ｒは、抵抗値を任意に設定可能な抵抗である。
【００３５】
センサ本体２０及びジャイロセンサ１０は以上のような構成であり、次に図１〜図６を参照しつつセンサ本体２０及びジャイロセンサ１０の動作例及び調整方法の一例について説明する。
＜外部から力が作用しない状態での屈曲振動＞
センサ本体２０は、図６に示す励振手段としての発振回路５６により、一方の引き出し電極３１を経由して振動腕２２，２２の励振電極２５ａ，２５ａに、例えば１種類の駆動信号を印加する。ここでは一例として、励振電極２５ｂ，２５ｂが、接地された他方の引き出し電極３１に接続されている。
【００３６】
各振動腕２２，２２は、励振電極２５ａ，２５ａに印加された駆動信号に基づく圧電現象により、Ｇ方向に沿って互いに逆方向に機械共振周波数で屈曲振動（いわゆる音叉振動）する。両振動腕２２，２２は互いに位相が反転して屈曲振動する。発振回路５６は、各振動腕２２，２２が一定の振幅で振動するように制御している。
【００３７】
＜外部から力が作用した状態での屈曲振動＞
まず、センサ本体２０の外部から作用した力により、例えば図６のＹ軸周りに回転角速度ωが生ずると、振動腕２２，２２は、Ｘ軸方向の振動の方向と、回転角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリの力を受けて、ＹＺ平面に沿って互いに反対方向に振動（いわゆる「ウォーク振動」）する。
【００３８】
各振動腕２２，２２がウォーク振動を生じている状態では、電界は表面２１ａ及び裏面２１ｂに平行な方向に生ずる。上述のように図３の検出用電極２７ａ、２７ｂは、基部２１の表面２１ａに形成した検出用溝２６ａ，２６ａの側壁に形成されていることから、上記電界とのなす角が垂直に近い方が電界を有効に検出することができる。
【００３９】
図６のように各振動腕２２，２２がＹＺ平面に沿ってウォーク振動を生ずると、各振動腕２２，２２の付け根から基部２１にかけて、図３の表面２１ａ（プラスＺ面）と裏面２１ｂ（マイナスＺ面）では反対の伸縮応力が生じて圧電気現象により、検出用電極２７ａ，２７ｂに電圧が生じる。この検出電圧（検出信号）に基づいて、図６の回転角速度ωが取得される。尚、各振動腕２２，２２がウォーク振動を生じている場合には、検出用電極２７ａ，２７ｂの検出信号の位相が駆動信号の位相から位相が９０度ずれている。
【００４０】
＜調整手順＞
以下では、主として一方の振動腕２２について説明する。
ここで、図１のセンサ本体２０は、製造時のばらつき、例えば図７に示すように各振動腕２２の断面形状の対称性がばらつくと、静止状態において各振動腕２２の先端がＸＹ平面だけのＧ方向の屈曲振動だけではなく、Ｚ方向の振動成分Ｇ１が生ずる場合がある。
【００４１】
つまり、振動腕２２は、Ｇ方向の屈曲振動のみならず、実際にはＧ２方向に振動を生じてしまう場合がある。このＺ方向の振動成分Ｇ１は、振動腕２２に本来必要なＧ方向における屈曲振動とは異なる振動（振動漏れ）であり、取得したい回転角速度ωの検出感度の低下や回転角速度ωが印加されていない状態でも出力変動の原因となる。この実施形態中では、このようなウォーク振動以外の振動漏れとして、例えば「異形形状に起因する振動」を例示している。
【００４２】
このような構成において、図６のセンサ本体２０に回転角速度ωが印加されていない静止状態においては、ウォーク振動以外の振動漏れによる応力によって、検出用電極２７ａ，２７ｂには、外部から作用した力による回転角速度ωが印加されたときと同様に、ウォーク振動以外のノイズを含む検出信号（電圧）が検出されてしまう場合がある。ここでは、一例として一方の振動腕２２側の検出用電極２７ａ，２７ｂでは、それぞれ図８（Ｂ）に示す検出信号Ｅｐ１が検出されたものとする。また、他方の振動腕２２側の検出用電極２７ａ，２７ｂでは、検出信号Ｅｐ２が検出されているものとする。
【００４３】
この検出信号Ｅｐ１，Ｅｐ２は、それぞれ図６に示す引き出し電極３２ａ，３２ｂ及び引き出し電極３２ａ，３２ｂを介して、増幅回路５２，５３に出力される。これら増幅回路５２，５３は、それぞれ検出信号Ｅｐ１，Ｅｐ２を増幅し、増幅信号を差動回路５４に出力する。この差動回路５４は、増幅された検出信号Ｅｐ１と検出信号Ｅｐ２との差を取り、この差信号に基づいて、以下のようにウォーク振動以外の振動漏れに起因するノイズを打ち消すための調整信号を生成する。
【００４４】
図６に示すジャイロセンサ１０において引き出し用電極３１とＡＧＣ５５との間には、可変抵抗Ｒの一端が接続されており、可変抵抗Ｒの他端が調整用電極２７ｃに接続されている。尚、上述のように調整用電極２７ｄは接地されている。この可変抵抗Ｒは、例えばＩＣ化された処理回路５１に内蔵されていても良いし、ジャイロセンサ１０を内蔵するパッケージの外部に設けられていても良いことはいうまでもない。
【００４５】
そして、ジャイロセンサ１０をそのまま静止状態とし、検出回路からの出力を測定しながら、ウォーク振動以外のノイズを打ち消して基部２１の厚み方向における振動が最小となるように、可変抵抗Ｒの抵抗値を変えていく。具体的な可変抵抗Ｒの抵抗値の変更方法としては、例えばレーザにより可変抵抗Ｒの電極の一部を除去するレーザトリミングを採用することができる。このようにして、打ち消される振動の量が最小となるように可変抵抗Ｒを変更し、調整用電極２７ｃに加えられる図８（Ｃ）の調整信号Ｅｔ１の振幅を調整することができる。
【００４６】
そして、図６の差動回路５４は、その出力信号を同期検波回路５７に与え、同期検波回路５７は、発振回路５６から得られる周波数を基準として、差動回路５４からの出力信号を同期検波する。そして、同期検波により、ウォーク振動以外の振動成分を除去するための図８（Ｃ）の調整信号Ｅｔ１が生成される。図２に示す各調整用電極２７ｃ，２７ｃには、例えばこの１種類の調整信号Ｅｔ１が入力される。
【００４７】
これら調整用電極２７ｃ，２７ｃは、それぞれ調整信号Ｅｔ１による圧電現象に基づいて、図６のセンサ本体２０に作用した力によるウォーク振動以外の回転角速度（ノイズ等）を打ち消すように、基部２１に振動を生じさせる。ジャイロセンサ１０は、検出用電極２７ａ，２７ｂの検出信号を直流電圧に変換し、ウォーク振動以外のノイズを除去して、外部から作用した力による回転角速度ω等を高精度に検出することができる。
【００４８】
従って、本発明の実施形態によれば、圧電材料で形成されていて、外部から作用する力に基づいて、圧電材料の振動を検出するセンサ本体２０やジャイロセンサ１０に適用される。この場合、「振動」とは外部から作用する力に基づいて、圧電材料に生じる「振動や変位もしくは変形等」を全て含んでいる。
本実施形態においてジャイロセンサ１０は、静止状態において、検出用電極２７ａ，２７ｂが基部２１の厚み方向に生じた振動を検出すると、この検出信号に基づいて生成された調整信号Ｅｔ１が各調整用電極２７ｃに入力される。各調整用電極２７ｃは、この調整信号Ｅｔ１に基づいて、ウォーク振動以外の振動漏れに起因するノイズを打ち消すように振動腕２２，２２を振動させる。従って、このジャイロセンサは、そのウォーク振動以外の振動漏れに起因するノイズが打ち消され、外部から作用した力による回転角速度ωを高感度に検出することができるようになる。
【００４９】
本発明は、上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。例えば上記実施形態の各構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせることができる。
上記実施形態において可変抵抗Ｒの抵抗値の変更方法として、例えばレーザにより可変抵抗Ｒの電極の一部を削除するレーザトリミングを採用しているが、これに限られず、図６の処理回路５１を含む例えばＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）内に設けられたメモリに設定したい抵抗値を書き込み、ＩＣ内に内蔵されたスイッチを切り替えて抵抗値を変更するようにしても良い。
【００５０】
また、ＩＣに抵抗値を設定する方法においては、例えばこのようにＩＣ内に設けた可変抵抗Ｒにて調整信号の大きさを変更する場合、ＩＣ内に温度を検出する素子を内蔵し、温度と調整信号の大きさを測定した結果を元に調整値をメモリに書き込んでおくようにしても良い。このようにすると、温度が変化した場合においても、ジャイロセンサ１０は、安定した回転角速度ωの検出を行うことができる。
【００５１】
上記実施形態においては、図７におけるＧ１の方向が＋Ｚ方向／−Ｚ方向で逆の場合には、調整用電極２７ｃに印加する調整信号の位相を１８０度変えなければならないところであるが、その代わりに、極性を揃えた調整用電極のどちらか一方を選択して調整信号を印加すれば、調整信号の位相は変えずに調整することができる。このような構成とすると、未調整時の駆動漏れ方向がどちらの向きでも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態としてのセンサの構成例を示す斜視図。
【図２】図１に示すセンサ本体の裏面の構成例を示す概略平面図。
【図３】図２のＢ−Ｂ線切断端面図。
【図４】図２のＡ−Ａ線切断端面図。
【図５】図２のＡ−Ａ線切断端面図。
【図６】ジャイロセンサの構成例を示すブロック図。
【図７】振動漏れが生じている様子の一例を示す図。
【図８】各信号の一例を示す図。
【図９】従来のジャイロセンサの構成例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
１０ジャイロセンサ、２０センサ，センサ本体、２１基部、２１ａ表面（一方の主面）、２１ｂ裏面（他方の主面）、２２振動腕、２４股部、２５ａ，２５ｂ駆動用電極（励振電極）、２６ａ検出用溝、２６ｂ調整用溝、２７ａ，２７ｂ検出用電極、２７ｃ，２７ｄ調整用電極、Ｅｄ１駆動信号、Ｅｐ１，Ｅｐ２検出信号、Ｅｔ１調整信号、Ｒ可変抵抗、Ｘ方向（基部の厚み方向に対して垂直な方向）、Ｚ方向（基部の厚み方向）

Claims

圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサであって、
側面及び主面を有し、固定される基部と、
この基部から延びる振動腕と、
前記振動腕に設けられており、駆動信号が印加されることで前記振動腕を前記基部の厚み方向に対して垂直な方向に屈曲駆動させる駆動用電極と、
前記基部の一方の主面に設けられており、前記外部から作用する力に対応した検出信号を検出する検出用電極と、
前記基部の一方の主面とは反対側の他方の主面に設けられており、前記検出用電極の検出信号に含まれるノイズを打ち消すための調整信号が印加される調整用電極と
を備えることを特徴とする、圧電材料を利用したセンサ。
前記調整信号は、前記駆動信号を分離した信号を可変抵抗の抵抗値を変更することで振幅を変化させて生成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電材料を利用したセンサ。
前記基部には複数の溝が形成されており、
前記調整用電極は、これら複数の溝の間の前記圧電材料を挟んで対向する両壁面に２対設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
前記２対の調整用電極は、前記他方の主面に、複数の前記振動腕に対応して複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の圧電材料を利用したセンサ。
前記圧電材料が単結晶材料であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電材料を利用したセンサ。
圧電材料で形成され、外部から作用する力に基づいて、前記圧電材料の振動を検出するセンサ本体を備えるジャイロセンサであって、
センサ本体を励振する手段と、
前記センサ本体からの検出信号を処理する手段とを有し、
前記センサ本体が、
側面及び主面を有し、固定される基部と、
この基部から延びる振動腕と、
前記振動腕に設けられており、駆動信号が印加されることで前記振動腕を前記基部の厚み方向に対して垂直な方向に屈曲駆動させる駆動用電極と、
前記基部の一方の主面に設けられており、前記外部から作用する力に対応した検出信号を検出する検出用電極と、
前記基部の一方の主面とは反対側の他方の主面に設けられており、前記検出用電極の検出信号に含まれるノイズを打ち消すための調整信号が印加される調整用電極と
を備えることを特徴とする、ジャイロセンサ。