JPH11325908A - 圧電式角速度センサ - Google Patents
圧電式角速度センサInfo
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- JPH11325908A JPH11325908A JP10130477A JP13047798A JPH11325908A JP H11325908 A JPH11325908 A JP H11325908A JP 10130477 A JP10130477 A JP 10130477A JP 13047798 A JP13047798 A JP 13047798A JP H11325908 A JPH11325908 A JP H11325908A
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Abstract
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
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。
−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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
明するための説明図。
CM…蓋部材。
Claims (3)
- 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10130477A JPH11325908A (ja) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | 圧電式角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10130477A JPH11325908A (ja) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | 圧電式角速度センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11325908A true JPH11325908A (ja) | 1999-11-26 |
Family
ID=15035193
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10130477A Pending JPH11325908A (ja) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | 圧電式角速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11325908A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100796333B1 (ko) * | 2001-10-09 | 2008-01-21 | 후지쯔 가부시끼가이샤 | 각속도 센서 |
WO2009047887A1 (ja) * | 2007-10-10 | 2009-04-16 | Panasonic Corporation | 角速度および加速度検出用複合センサ |
US8087296B2 (en) | 2006-03-15 | 2012-01-03 | Panasonic Corporation | Angular velocity sensor |
JP2012198098A (ja) * | 2011-03-22 | 2012-10-18 | Seiko Epson Corp | 慣性センサー |
-
1998
- 1998-05-13 JP JP10130477A patent/JPH11325908A/ja active Pending
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US9069000B2 (en) | 2007-10-10 | 2015-06-30 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Composite sensor for detecting angular velocity and acceleration |
US9453851B2 (en) | 2007-10-10 | 2016-09-27 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Composite sensor for detecting angular velocity and acceleration |
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