JP2006058060A - ジャイロセンサおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 応用機器にジャイロセンサを使用した場合に、温度センサを重複して使用することなく、部品実装面積を減少させ、さらにはコストを削減できるジャイロセンサを提供する。
【解決手段】 角速度を検出し角速度信号を出力するジャイロ素子１０と、ジャイロ素子１０を発振させる発振回路４０と、ジャイロ素子１０の近傍の雰囲気温度を検出し、雰囲気温度に対応した信号を出力する温度センサ３０と、温度センサ３０を作動させる作動回路３１と、温度センサ３０の雰囲気温度に対応した信号に基づき角速度信号を補正する差動増幅回路４３、同期検波回路４４、平滑回路４５、処理回路４６からなる処理部とを備えたジャイロセンサ１であって、温度センサ３０の温度信号および、温度センサ３０の信号により補正された角速度信号とをジャイロセンサ１の外部に出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、温度センサを備え、温度ドリフトを補正する機能を有したジャイロセンサおよび、そのジャイロセンサを具備する電子機器に関する。

近年、ナビゲーションシステムの普及により、姿勢の変化を検出するジャイロセンサが多く用いられている。
ジャイロセンサには、雰囲気温度が変化するとジャイロセンサの出力信号が変化するという、温度ドリフトがある。このため、雰囲気温度の変動が生じた場合には、ジャイロセンサの出力信号が変化し、正確な角速度を検出できなくなる。このジャイロセンサの温度ドリフトを補正するために、例えば、温度ドリフトを補正する機能を有したジャイロセンサとして、特許文献１に示すようなジャイロセンサが提案されている。この提案では、ジャイロ素子と、温度センサと、処理装置とを備え、温度センサで検出した温度に対応して、処理装置でジャイロ素子が検出した角速度の出力信号を補正し、その信号を出力している。

特開２０００−２２１０４０号公報

上記のようなジャイロセンサに内蔵された温度センサは、ジャイロセンサの出力信号を補正する用途のみに使用されている。このため、例えば応用機器として、このジャイロセンサを車載用や携帯用のナビゲーションシステムに備えた場合、ナビゲーションシステムには別の温度センサを設けて、システム全体の温度補償を行っている。このように、応用機器に温度補正の機能を有したジャイロセンサを用いた場合、機能を同じくする部品が重複されて使用されることになり、トータルコストの増加や部品実装面積の増加を招いている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ジャイロセンサを応用機器に使用した場合に、温度センサを重複して使用することなく、部品実装面積を減少させ、さらにはコストを削減できるジャイロセンサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のジャイロセンサは、角速度を検出し角速度信号を出力するジャイロ素子と、前記ジャイロ素子を発振させる発振回路と、前記ジャイロ素子の近傍の雰囲気温度を検出し、雰囲気温度に対応した信号を出力する温度センサと、前記温度センサを作動させる作動回路と、前記温度センサの雰囲気温度に対応した信号に基づき角速度信号を補正する処理部と、を備えたジャイロセンサであって、前記温度センサの温度信号および、前記温度センサの信号により補正された角速度信号と、をジャイロセンサの外部に出力することを特徴とする。

この構成によれば、ジャイロセンサに内蔵された温度センサの信号を外部に出力することができるため、この信号を外部で利用することが可能となる。このことから、応用機器にジャイロセンサを備えた場合に、温度センサを重複して使用することなく、部品実装面積を減少させ、さらにはコストを削減できる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記温度センサと、前記作動回路と、前記発振回路と、前記処理部と、を一つのチップに集積したことを特徴とする。

このようにすれば、ジャイロセンサの部品点数を少なくすることができ、ジャイロセンサの小型化や軽量化を図ることができる。

また、本発明の応用機器は、上記ジャイロセンサを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ナビゲーションシステムなどの応用機器にジャイロセンサを備えた場合に、温度センサを重複して使用することなく、ナビゲーションシステムとして部品実装面積を減少させ、さらにはコストを削減できる。

以下、本発明の実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）

図１（ａ）は、本実施形態のジャイロセンサの構成を示す平面図、図１（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ´断線に沿う断面図である。
ジャイロセンサ１には、水晶などの圧電材料にて形成されたジャイロ素子１０を備えており、棒状のＹ軸方向に延在する駆動腕部１１Ａ、１１Ｂおよび、検出腕部１２を有している。駆動腕部１１Ａ、１１Ｂは、検出腕部１２を挟むように対峙し、それぞれの腕の略中央部でＸ軸方向に延在した腕支持部１３により検出腕部１２に接続されている。また、検出腕部１２の中央部には、ジャイロ素子１０を支持するための支持部１４が形成されている。

ジャイロ素子１０には、電極（図示せず）が形成され、従来知られた駆動モードおよび検出モードで動作可能に構成されている。駆動モードでは、駆動腕部１１Ａ、１１ＢがＸ軸方向に、お互いに逆相となる屈曲振動するように構成されている。
この駆動腕部１１Ａ、１１Ｂが振動中に、Ｚ軸を回転軸とする回転が生ずると、駆動腕部１１Ａ、１１Ｂにコリオリ力が発生し、このコリオリ力が腕支持部１３を経て検出腕部１２に伝搬される。検出腕部１２はコリオリ力に応答して、コリオリ力の大きさに対応するＸ軸方向の振動を行う。そして、検出腕部１２の振動により発生する歪を電気信号として検出することにより、角速度の大きさや方向を認識することが可能となる。

ジャイロ素子１０の一方の面には接続電極２７が設けられ、接続電極２７とリード片１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂが導電性接着剤にて接続されている。リード片１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂは導電性の帯状部材でＺ軸方向に折り曲げられ、ジャイロ素子１０を持ち上げるように保持している。
また、リード片１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂは、支持基板２２に固定されており、リード片１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂとパッケージ底部２１とはＡｕバンプを介して熱圧着されている。パッケージ底部２１には電気配線（図示せず）が形成され、ジャイロ素子１０からリード片１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂを経由してパッケージ底部２１に電気的導通が図られている。なお、支持基板２２は銅などの導電材料表面にポリイミド樹脂等の絶縁層を設けた基板であり、各リード片間の短絡を防止する構成となっている。

ジャイロ素子１０の下方に位置するパッケージ底部２１には、温度センサを含む回路素子２３が備えられ、パッケージ底部２１に形成された電気配線とワイヤボンディングにて接続されている。このように、温度センサはジャイロ素子１０の近傍に位置し、ジャイロ素子１０付近の雰囲気温度を計測する。この温度センサを含む回路素子２３は、１つのチップ内に、温度センサと、温度センサの作動回路や、ジャイロ素子１０の発振回路や、後述する処理回路等を構成している。
セラミックパッケージ２０の外側の底部には出力端子２４、２５が設けられ、パッケージ底部２１に形成された電気配線と電気的に接続されている。このようにして、温度センサの信号および、温度センサの検出温度に対応した信号に基づき補正された角速度信号を出力端子２４、２５から、それぞれ外部に出力できるように構成されている。なお、これらの出力端子２４、２５はセラミックパッケージ２０の任意の場所に設定することができる。
そして、セラミックパッケージ２０内を真空雰囲気に保持して、蓋体１９にて封止することにより、ジャイロセンサ１を構成している。
なお、ジャイロ素子としては水晶などの圧電材料に限らず、エリンバ材などの恒弾性材料にて構成してもよい。

次に、図２に示す本実施形態の電気ブロック図を参照して、作用について説明する。
ジャイロ素子１０の駆動腕部１１Ａ、１１Ｂに形成された電極には発振回路４０が接続されている。発振回路４０で増幅および位相調整された駆動信号が、駆動腕部１１Ａ、１１Ｂに形成された電極に与えられ、駆動腕部１１Ａ、１１Ｂが屈曲振動を行う。

一方、ジャイロ素子１０の検出腕部１２に形成された電極は、抵抗４１、インバータ４２を通り、差動増幅回路４３の入力端に接続される。差動増幅回路４３の出力端は同期検波回路４４に接続される。同期検波回路４４では、差動増幅回路４３の出力信号が発振回路４０の信号に同期して検波される。そして、同期検波回路４４は平滑回路４５に接続される。平滑回路４５は処理回路４６に接続される。

また、ジャイロ素子１０の近傍に温度センサ３０が設けられ、温度センサ３０を作動させる作動回路３１が接続される。また、温度センサ３０の一方の出力端は処理回路４６に接続される。処理回路４６では、温度センサ３０の出力信号に応じて、ジャイロ素子１０の出力信号が処理されジャイロセンサ１の出力端子に接続される。さらに、温度センサ３０の他方の出力端はジャイロセンサ１の出力端子に接続される。

このジャイロ素子１０に角速度が加わらない状態では、検出腕部１２は振動せず、差動増幅回路４３に同じ信号が入力されるため、差動増幅回路４３からは信号は出力しない。
ジャイロ素子１０にＺ軸を回転の軸とする角速度が加わると、駆動腕部１１Ａ、１１Ｂにコリオリ力が働く。このコリオリ力に連動して、検出腕部１２の中央部を境に、上下の腕がＸ軸方向に屈曲する。この屈曲状態は相互に反対向きであるため、検出腕部１２の電極から出力される出力信号に差が生じる。この出力信号の差はコリオリ力に対応した大きさを持ち、差動増幅回路４３からは増幅され、コリオリ力に対応した出力信号を得ることができる。

差動増幅回路４３の出力信号は、同期検波回路４４で、正部分のみまたは負部分のみ、あるいは正負のいずれかを反転した信号が検波される。そして、平滑回路４５で信号を平滑化する。このように、平滑回路４５の出力信号のレベルから、ジャイロ素子１０に加わった角速度の大きさを認識できる。また、ジャイロ素子１０に加わる角速度の方向が逆になった場合には、同期検波回路４４で検波される信号の極性が逆となる。従って、平滑回路４５の出力信号の極性から、ジャイロ素子１０に加わった角速度の方向を認識することができる。

平滑回路４５からの信号は処理回路４６に入力される。また、ジャイロ素子１０の近傍に設けられた温度センサ３０の出力信号が処理回路４６に入力される。処理回路４６では、平滑回路４５から入力された角速度信号を、温度センサ３０から入力された温度信号に対応して角速度信号を補正処理し、その補正された角速度信号をジャイロセンサ１の外部に出力する。このように、ジャイロ素子１０の角速度信号を補正するために、差動増幅回路４３、同期検波回路４４、平滑回路４５、処理回路４６にて処理部を構成している。

この補正処理は、具体的には、温度センサ３０の温度信号（電圧）に対応するジャイロ素子１０の角速度信号（電圧）を計測し、温度に対する数種類の温度ドリフトの傾きを回路素子に記憶させ、その温度ドリフトの傾きデータを使用して、傾きに応じた電圧を加えることにより角速度信号を補正している。このようにすることにより、ジャイロ素子の温度ドリフトを補正することができる。
また、温度センサ３０から出力される温度信号は、ジャイロセンサ１の外部にも出力する。
なお、図２に示したジャイロセンサ１の電気ブロック図において、ジャイロ素子１０を除く他の構成は一つのチップに集積されており、温度センサ３０を含む回路素子として構成されている。

以上のように、ジャイロセンサ１に内蔵された温度センサ３０の温度信号を外部に出力することができるため、この温度信号を外部で利用することが可能となる。このことから、応用機器にジャイロセンサを備えた場合に、新たに別の温度センサを設ける必要がなくなるため、温度センサを重複して使用することなく、部品実装面積を減少させ、さらにはコストを削減できる。
また、１つのチップ内に、温度センサ３０と、温度センサ３０の作動回路３１や、ジャイロ素子１０の発振回路４０や、処理回路４６等を構成することができるため、ジャイロセンサ１の部品点数を少なくすることができ、ジャイロセンサ１の小型化や軽量化を図ることができる。
（第２の実施形態）

図３は本発明の電子機器の実施形態を示す構成図である。ジャイロセンサを用いた応用機器として、姿勢を検出することが必要な、車載用や携帯用ナビゲーションシステムや、デジタルカメラなどが挙げられる。
例えば、車載用ナビゲーションシステムなどの電子機器１００に、第１の実施形態におけるジャイロセンサ１が具備され、角速度の検出を行う。ジャイロセンサ１からは、温度センサの信号により補正された角速度信号と、温度センサの温度信号がジャイロセンサ１の外部に出力している。そして、ジャイロセンサ１から出力された温度センサの温度信号を利用して、車載用ナビゲーションシステム全体の温度補償を行っている。

このように、ジャイロセンサ１に内蔵された温度センサの温度信号を外部に出力することができるため、この温度信号を外部で利用することが可能となる。このことから、応用機器にジャイロセンサ１を備えた場合に、新たに別の温度センサを設ける必要がなくなるため、温度センサを重複して使用することなく、部品実装面積を減少させ、さらにはコストを削減できる。

（ａ）は、本発明の実施形態のジャイロセンサを示す平面図、（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ´断線に沿う断面図。 ジャイロセンサの電気ブロック図。 本実施形態の電子機器の構成を示す構成図。

符号の説明

１…ジャイロセンサ、１０…ジャイロ素子、１１Ａ、１１Ｂ…駆動腕部、１２…検出腕部、１３…腕支持部、１４…支持部、１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ…リード片、１９…蓋体、２０…セラミックパッケージ、２２…支持基板、２３…温度センサを含む回路素子、２４、２５…出力端子、３０…温度センサ、３１…作動回路、４０…発振回路、４３…差動増幅回路、４４…同期検波回路、４５…平滑回路、４６…処理回路。

Claims (3)

1. 角速度を検出し角速度信号を出力するジャイロ素子と、
   前記ジャイロ素子を発振させる発振回路と、
   前記ジャイロ素子の近傍の雰囲気温度を検出し、雰囲気温度に対応した信号を出力する温度センサと、
   前記温度センサを作動させる作動回路と、
   前記温度センサの雰囲気温度に対応した信号に基づき角速度信号を補正する処理部と、を備えたジャイロセンサであって、
   前記温度センサの温度信号および、前記温度センサの信号により補正された角速度信号と、をジャイロセンサの外部に出力することを特徴とするジャイロセンサ。
2. 請求項１に記載のジャイロセンサにおいて、前記温度センサと、前記作動回路と、前記発振回路と、前記処理部と、を一つのチップに集積した温度センサを含む回路素子を備えることを特徴とするジャイロセンサ。
3. 請求項１および２に記載のジャイロセンサを備えたことを特徴とする電子機器。
   
   

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