JPH11325908A - 圧電式角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度の角速度検出が可能な圧電式角速度セ
ンサを提供することを目的とする。 【解決手段】 本圧電式角速度センサにおいては、圧電
振動子１０２と検出アンプＩＣとが同一基板ＳＢ上に配
置されているため、素子間寄生容量やノイズの影響を抑
制して検出精度を向上させることができる。また、圧電
振動子１０２及び検出アンプＩＣがパッケージＰＫＧ内
に収納されているので、センサの寿命を延ばすことがで
きる。更に、パッケージＰＫＧの一部である蓋部材ＣＭ
は導電性材料で構成され、グランドに接続されているの
で、外部から検出アンプＩＣに進入するノイズをシール
ドすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両、航空機若し
くは船舶等の移動体又は撮像機器等の被検出体に設けら
れ、圧電効果を用いて被検出体の角速度を検出する圧電
式角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電式角速度センサは、特開平８
−２７１２５７号公報に記載されている。圧電式角速度
センサが被検出体に設けられ、被検出体が回転運動を行
うと、圧電振動子の特定方向の振動がコリオリの力、す
なわち被検出体の角速度に応じて変化し、圧電振動子の
圧電効果に基づいて検出電極からの出力信号が変化す
る。検出電極からの出力信号は、好ましくは検出アンプ
によって電流電圧変換され、次段の回路に入力される。
圧電式角速度センサは、この出力信号を観察することに
よって被検出体の角速度を検出することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の圧電式角速度センサにおいては、圧電振動子と検出
アンプとが大きく離隔しているため、素子間、配線パタ
ーンの寄生容量やノイズの影響を受けることとなり、検
出精度を向上させることができなかった。本発明は、こ
のような課題に鑑みてなされたものであり、高精度の角
速度検出が可能な圧電式角速度センサを提供することを
目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る圧電式角速
度センサは、圧電振動子と、圧電振動子に働くコリオリ
の力に応じた振動に応じて圧電振動子から出力される信
号が入力される検出アンプとを備えた圧電式角速度セン
サにおいて、圧電振動子と検出アンプとが同一基板上に
配置されていることを特徴とする。

【０００５】本発明の圧電式角速度センサによれば、圧
電振動子と検出アンプとが同一基板上に配置されている
ので、これらを近接させることができ、素子間、配線パ
ターンの寄生容量やノイズの影響を抑制して検出精度を
向上させることができるとともに、組立時の作業効率を
向上させることができる。

【０００６】また、圧電振動子及び検出アンプが収容さ
れる密閉空間を基板とともに提供するパッケージを更に
備えることとすれば、長期の温度や湿度変化に非常に影
響を受けやすい検出アンプの特性劣化、及び機械的駆動
部を有する圧電振動子に悪影響を与える塵の混入を抑制
することができる。

【０００７】更に、パッケージの少なくとも一部が導電
性材料で構成され、グランドに接続されていることとす
れば、外部から検出アンプに進入するノイズをシールド
することができるため、更に検出精度を向上させること
ができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る圧電式角
速度センサについて説明する。同一要素又は同一機能を
有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説
明は省略する。

【０００９】図１は、本実施の形態に係る圧電式角速度
センサの平面図であり、図２は図１に示した圧電式角速
度センサのII-II矢印断面図である。この圧電式角速度
センサは、回路基板ＳＢが載置される下部封止基板Ｓ
Ｂ’と、下部封止基板ＳＢ’と共にパッケージＰＫＧを
構成する蓋部材ＣＭと、パッケージＰＫＧ内に収容され
た圧電振動子１０２及び集積回路ＩＣとを備えている。
パッケージＰＫＧ内には希ガス又は窒素等の不活性ガス
が封入されている。

【００１０】下部封止基板ＳＢ’上には振動子１０２の
端子Ｔ１〜Ｔ４に接続される複数のパッドＴ１’〜Ｔ
４’、集積回路ＩＣのアンプに電源を供給するパッドＶ
ＣＣ，ＢＩＡＳ、集積回路ＩＣ内のグランド電位を決定
するグランド用パッドＧＮＤ等が設けられている。

【００１１】圧電振動子１０２は、基板ＳＢ表面に一端
部が固定され、コリオリの力に基づく圧電振動子１０２
からの出力信号は基板ＳＢ上に配置された集積回路ＩＣ
に入力される。集積回路ＩＣは、２つのチャージアンプ
１０３ｅ，１０３ｆ（図３参照）から構成されており、
圧電振動子１０２に発生した電荷信号を電圧信号に変換
して次段の回路に入力する。なお、チャージアンプ１０
３ｅ，１０３ｆ以外の回路要素は、パッケージＰＫＧ外
部に設けられている。

【００１２】本実施の形態に係る圧電式角速度センサ
は、圧電振動子１０２と、圧電振動子１０２に働くコリ
オリの力に応じた振動に応じて圧電振動子１０２から出
力される信号が入力される検出アンプＩＣとを備えた圧
電式角速度センサにおいて、圧電振動子１０２と検出ア
ンプＩＣとが同一基板上ＳＢに配置されている。本圧電
式角速度センサによれば、圧電振動子１０２と検出アン
プＩＣとが同一基板ＳＢ上に配置されているので、これ
らを近接させることができ、素子間、配線パターン寄生
容量やノイズの影響を抑制して検出精度を向上させるこ
とができるとともに、組立時の作業効率を向上させるこ
とができる。

【００１３】また、圧電振動子１０２及び検出アンプＩ
Ｃが収容される密閉空間を基板とともに提供するパッケ
ージＰＫＧを更に備えているので、長期の温度や湿度変
化に非常に影響を受けやすい検出アンプＩＣの特性劣
化、及び機械的駆動部を有する圧電振動子１０２に悪影
響を与える塵の混入を抑制することができる。

【００１４】更に、パッケージＰＫＧの少なくとも一部
ＣＭ，ＳＢ’は導電性材料で構成され、グランドに接続
されているので、外部から検出アンプＩＣに進入するノ
イズをシールドすることができるため、更に検出精度を
向上させることができる。すなわち、検出アンプＩＣを
構成する一方のチャージアンプを、オペアンプと、オペ
アンプの入出力間に並列接続されたコンデンサ（例えば
２０ｐＦ）と、抵抗（例えば３０ＭΩ）とから構成する
場合には、特にその抵抗にノイズが重畳されやすいの
で、上記シールド構造とすることで、ノイズの影響を抑
制することができる。以下、実施の形態に係る圧電式角
速度センサについて、更に詳説する。

【００１５】以下の説明においては、基板ＳＢから振動
子１０２に向かう方向を「上」方向とし、これと逆向き
の方向を「下」方向と規定する。また、振動子１０２の
上下方向、すなわち、厚み方向をＺ軸方向と規定し、振
動子１０２の長手方向をＹ軸方向、これらＺ軸及びＹ軸
に直交する方向をＸ軸方向と規定する。また、本振動子
１０２は水晶振動子であって、上記規定のＸ軸、Ｙ軸及
びＺ軸は、それぞれ水晶のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に一致す
る。すなわち、本水晶振動子１０２は、表面が水晶のＺ
軸に垂直な水晶ウエハ（Ｚ板）をエッチングすることに
よって製造される。

【００１６】基板ＳＢは、その表面である設置表面Ｓ２
及び設置表面Ｓ２を垂直に貫通する貫通孔領域Ｓ１を有
する。

【００１７】振動子１０２は、設置表面Ｓ２に固定され
る固定部１と、固定部１の一端に一端が連続し、Ｙ軸の
正方向に沿って貫通孔領域Ｓ１内に延びる支持部２と、
支持部２の他端に連続し、Ｘ軸の正負の方向に沿って延
びる基部３と、基部３の両端からそれぞれＹ軸の正方向
に沿って延びる１対の励振用振動片４，５と、基部３の
両端からそれぞれＹ軸の負方向に沿って延びる１対の検
出用振動片６，７とを備える。

【００１８】図３は、本実施の形態に係る圧電式角速度
センサの電気的構成を示す説明図である。なお、図３中
の点線領域ＸＡ内には図１に示した励振用振動片４，５
のＡ−Ａ矢印断面を示し、点線領域ＸＢ内には図１に示
した検出用振動片６，７のＢ−Ｂ矢印断面を示す。本セ
ンサは、振動子１０２に電気的に接続された処理回路１
０３を備える。

【００１９】励振用振動片４，５は、Ｙ軸に垂直な断面
が略長方形を有する圧電性結晶部（振動部分）４ｐ，５
ｐをそれぞれ備える。圧電性結晶部４ｐ，５ｐは水晶か
らなる。圧電性結晶部４ｐの長方形断面は、Ｚ軸に垂直
な上辺及び下辺とＸ軸に垂直な左辺及び右辺とを有す
る。圧電性結晶部４ｐの上辺、下辺、左辺及び右辺上に
は、それぞれ、電極４ｕ、４ｓ、４ｈ及び４ｍが固定さ
れており、電極４ｕ、４ｓ、４ｈ及び４ｍは互いに離隔
し、それぞれＹ軸方向に沿って延びている。励振用振動
片５の構造は、励振用振動片４の構造と同一であり、圧
電性結晶部５ｐ及び圧電性結晶部５ｐ断面内のそれぞれ
の辺に設けられた電極５ｕ、５ｓ、５ｈ及び５ｍを備え
る。

【００２０】検出用振動片６，７は、Ｙ軸に垂直な断面
が略長方形を有する圧電性結晶部６ｐ，７ｐをそれぞれ
備える。圧電性結晶部６ｐ，７ｐは水晶からなる。圧電
性結晶部６ｐの長方形断面は、Ｚ軸に垂直な上辺及び下
辺とＸ軸に垂直な左辺及び右辺とを有する。これらの辺
の交点で規定される圧電性結晶部６ｐ断面内の４つの角
の近傍には、電極６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄがそれぞれ
固定されており、電極６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄは互い
に離隔し、それぞれＹ軸方向に沿って延びている。検出
用振動片７の構造は、検出用振動片６の構造と同一であ
り、圧電性結晶部７ｐ及び圧電性結晶部７ｐ断面内の４
つの角の近傍にそれぞれ設けられた電極７ａ、７ｂ、７
ｃ及び７ｄを備える。

【００２１】処理回路１０３と振動子１０２とは、４つ
の端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４を介して接続されてお
り、処理回路１０３からの角速度情報を有する信号は出
力端子Ｔ５から出力される。ここで、端子Ｔ１とＴ２と
の間に結露、半田屑等が介在すると容易にこれらがショ
ートし、振動子１０２の励振が停止する。すなわち、実
験機においては端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗が６０ＭΩとな
った場合に振動子１０２の振動が停止した。そこで、本
角速度センサにおいては、まず、パッケージＰＫＧの内
側にこれらの端子Ｔ１，Ｔ２を配置して、結露等の発生
を抑制するとともに、経年劣化によって結露等が発生し
た場合においても振動子１０２の励振が停止しないよう
に、端子Ｔ１及びＴ２を５ｍｍ以上離隔させることとし
た。

【００２２】励振用振動片４，５の電極４ｕ、４ｓ、５
ｍ、５ｈは端子Ｔ１に接続されており、電極４ｍ、４
ｈ、５ｕ、５ｓは端子Ｔ２に接続されている。すなわ
ち、電極４ｕ、４ｓ、５ｍ、５ｈ、４ｍ、４ｈ、５ｕ、
５ｓは、端子Ｔ１に方形波電圧信号などの電圧信号を印
加することによって圧電性結晶部４ｐ，５ｐがＸ軸方向
に振動するように圧電性結晶部４ｐ，５ｐに設けられて
いる。

【００２３】検出用振動片６，７の電極６ａ、６ｄ、７
ｂ、７ｃは端子Ｔ３に接続されており、電極６ｂ、６
ｃ、７ａ、７ｄは端子Ｔ４に接続されている。すなわ
ち、電極６ａ、６ｄ、７ｂ、７ｃ（第１電極）及び電極
６ｂ、６ｃ、７ａ、７ｄ（第２電極）は、それぞれ、検
出用の圧電性結晶部６ｐ，７ｐのＺ軸方向の振動振幅に
応じた互いに逆位相の信号が端子Ｔ３及びＴ４からそれ
ぞれ出力されるように圧電性結晶部６ｐ，７ｐに設けら
れている。

【００２４】励振用振動片４，５がＸ軸方向に沿って振
動すると、圧電性結晶部４ｐ，５ｐが変形し、端子Ｔ１
に接続された電極４ｕ、４ｓ、５ｍ、５ｈから圧電性結
晶部４ｐ，５ｐの圧電効果に基づく電流が電流電圧変換
回路１０３ｂに流れ込む。電流電圧変換回路１０３ｂか
らは、振動片４，５の振動の周波数と同一の周波数の交
流電圧信号が出力される。電流電圧変換回路１０３ｂか
ら出力された交流電圧信号は増幅回路１０３ｃに入力さ
れ、増幅回路１０３ｃからは増幅された交流電圧信号が
出力される。この交流電圧信号は、比較器１０３ａに入
力される。比較器１０３ａは、入力される交流電圧信号
の振幅中心を基準電圧として、交流電圧信号と基準電圧
との比較結果に応じて出力レベルの切り換る方形波電圧
信号を出力する。比較器１０３ａから出力される方形波
電圧信号には、増幅回路１０３ｃに接続された自動利得
制御回路１０３ｄからの出力が重畳され、端子Ｔ２に加
えられる。

【００２５】自動利得制御回路１０３ｄは、増幅回路１
０３ｃから出力される交流電圧信号の振幅を監視してお
り、この交流電圧信号の振幅、すなわち、励振用振動片
４，５の振動振幅が大きくなった場合には、端子Ｔ２に
印加される方形波電圧信号の振幅を小さくして励振用振
動片４，５の振動振幅を小さくし、逆に、励振用振動片
４，５の振動振幅が小さくなった場合には、端子Ｔ２に
印加される方形波電圧信号の振幅を大きくして励振用振
動片４，５の振動振幅を大きくし、励振用振動片４，５
の振動振幅を一定値に保持する。

【００２６】励振用振動片４，５をＸ軸方向に振動させ
た状態で、この角速度センサが設けられた被検出体がＹ
軸を回転軸とする回転運動を行うと、励振用振動片４，
５の振動速度及び被検出体の角速度の積に応じたコリオ
リの力が、励振用振動片４，５に働き、励振用振動片
４，５がＺ軸方向に屈曲振動する。したがって、励振用
振動片４，５の振動速度に応じてコリオリの力の大きさ
も時間的に変化して振動する。なお、励振用振動片４，
５の振動速度は、振動の振幅中心に励振用振動片４，５
が位置する場合に最も大きいため、励振用振動片４，５
の振動速度から決定されるコリオリの力の振動の位相は
励振用振動片４，５のＸ軸方向の振動位置の位相と約９
０°ずれている。

【００２７】検出用振動片６，７は、励振用振動片４，
５に機械的に結合しているため、励振用振動片４，５の
Ｚ軸方向の振動が検出用振動片６，７に伝達され、検出
用振動片６，７がＺ軸方向に振動する。検出用振動片
６，７がＺ軸方向に振動すると、この振動に応じて検出
用の圧電性結晶部６ｐ，７ｐがＺ軸方向に変形するた
め、圧電性結晶部６ｐ，７ｐの圧電効果に基づいて、端
子Ｔ３及びＴ４からは、それぞれ逆位相の電荷信号がチ
ャージアンプ１０３ｅ及び１０３ｆに入力される。

【００２８】チャージアンプ１０３ｅ及び１０３ｆと、
電流電圧変換回路１０３ｂとは、入出力信号間の位相が
約９０°ずれているため、結果的にチャージアンプ１０
３ｅ又は１０３ｆから出力される交流電圧信号の位相
と、電流電圧変換回路１０３ｂから出力される交流電圧
信号の位相とは同位相または逆位相となる。

【００２９】チャージアンプ１０３ｅ及び１０３ｆから
それぞれ出力される第１及び第２交流電圧信号（第１及
び第２信号）は、被検出体の角速度に応じて発生した互
いに逆位相の信号であり、これらの逆位相の信号は差動
増幅回路１０３ｇに入力される。差動増幅回路１０３ｇ
は、入力される第１及び第２交流電圧信号をそれぞれ第
１及び第２増幅率で増幅し、増幅された信号の差を出力
する。これらの第１及び第２増幅率は、被検出体の角速
度が零のときの差動増幅回路１０３ｇの出力の振幅が略
零となるように設定される。したがって、被検出体の角
速度が零のときには、差動増幅回路１０３ｇから出力さ
れる交流電圧信号の振幅は略零となる。

【００３０】被検出体が適当な角速度を有する場合に
は、この角速度に応じて励振用振動片４，５がＺ軸方向
に振動し、この振動が検出用振動片６，７に伝達される
ことによって検出用振動片６，７がＺ軸方向に振動し、
差動増幅回路１０３ｇからは検出用振動片６，７のＺ軸
方向の振動振幅にその振幅が略比例した交流電圧信号が
出力される。

【００３１】差動増幅回路１０３ｇから出力された交流
電圧信号は、交流増幅回路１０３ｈに入力されることに
よって増幅された後、同期検波回路１０３ｉに入力され
る。同期検波回路１０３ｉには、励振側の増幅回路１０
３ｃから出力された交流電圧信号も入力されており、同
期検波回路１０３ｉは、増幅回路１０３ｃから出力され
た交流電圧信号に同期した方形波電圧信号を生成し、こ
の方形波電圧信号で検出側の増幅回路１０３ｈから出力
された交流電圧信号を同期検波する。ここで、励振側の
増幅回路１０３ｃから出力される交流電圧信号と、検出
側の増幅回路１０３ｈから出力される交流電圧信号と
は、上述のように位相が揃っているため、これらの信号
の位相を揃えるための移相回路を必要としない。移相回
路は出力信号が温度によって変化する温度特性を有して
いるため、このような移相回路を用いないことによっ
て、角速度の検出精度を向上させることができ、また、
移相回路分のコストを削減することができる。

【００３２】同期検波回路１０３ｉから出力された交流
電圧信号は、積分回路１０３ｊに入力され、積分回路１
０３ｊはこの交流電圧信号を平滑化して、直流電圧信号
に変換する。積分回路１０３ｊから出力された直流電圧
信号は、直流増幅回路１０３ｋに入力され、増幅された
直流電圧信号は出力端子Ｔ５から出力される。なお、差
動増幅回路１０３ｇにおいて角速度零状態における出力
の振幅が略零となるように設定されているので、交流増
幅回路１０３ｈの出力を飽和させることなく、その増幅
率を直流増幅回路１０３ｋの増幅率よりも高く設定する
ことができる。

【００３３】直流増幅回路１０３ｋから出力される直流
電圧信号のレベルは、差動増幅回路１０３ｇから出力さ
れる交流電圧信号の振幅の大きさ、すなわち、被検出体
の角速度に比例する。したがって、本圧電式角速度セン
サは、被検出体の角速度を検出することができる。

【００３４】また、上述の実施の形態では、圧電性結晶
部４ｐ，５ｐ，６ｐ，７ｐの材料として水晶を用いた
が、この材料としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）又
はＬｉＴａＯ₃を代わりに用い、これらの材料の圧電効
果によってコリオリの力に基づく材料の変位が検出でき
るように、適宜電極を設けてもよい。

【００３５】また、上述の実施の形態では、励振用振動
片４，５と検出用振動片６，７を別の振動片として振動
子を構成したが、これらは同一の振動片としてもよく、
また、励振用振動片４，５がＺ軸に沿って振動し、且
つ、検出用振動片６，７がＸ軸の振動に応じた信号を出
力するように、それぞれの圧電性結晶部４ｐ，５ｐ，６
ｐ，７ｐに電極を配置してもよい。

【００３６】以上、説明したように、本実施の形態に係
る圧電式角速度センサによれば、圧電振動子１０２と検
出アンプＩＣとが同一基板ＳＢ上に配置されているの
で、素子間、配線パターンの寄生容量やノイズの影響を
抑制して検出精度を向上させることができ、圧電振動子
１０２及び検出アンプＩＣがパッケージＰＫＧ内に収納
されているので、センサの寿命を延ばすことができる。

【００３７】更に、パッケージＰＫＧの一部である蓋部
材ＣＭ、基板ＳＢ’は導電性材料で構成され、グランド
に接続されているので、外部から検出アンプＩＣに進入
するノイズをシールドすることができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の圧電式角速度センサによれば、
圧電振動子と検出アンプとが同一基板上に配置されてい
るので、検出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る角速度センサの平面図。

【図２】図１に示した角速度センサのII-II矢印断面
図。

【図３】実施の形態に係る角速度センサの回路構成を説
明するための説明図。

【符号の説明】

１０２…圧電振動子、ＩＣ…検出アンプ、ＳＢ…基板、
ＣＭ…蓋部材。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子と、前記圧電振動子に働くコ
   リオリの力に応じた振動に応じて前記圧電振動子から出
   力される信号が入力される検出アンプとを備えた圧電式
   角速度センサにおいて、前記圧電振動子と前記検出アン
   プとが同一基板上に配置されていることを特徴とする圧
   電式角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記圧電振動子及び前記検出アンプが収
   容される密閉空間を前記基板とともに提供するパッケー
   ジを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電
   式角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記パッケージの少なくとも一部は導電
   性材料で構成され、グランドに接続されていることを特
   徴とする請求項１に記載の圧電式角速度センサ。