JP2009186305A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】物理量センサが正常に動作するかを簡単な構成で確かめる。
【解決手段】駆動腕部１１Ａ，１１Ｂと検出腕部１２とを備えた振動素子１０と、駆動腕部１１Ａ，１１Ｂを駆動するための駆動信号を第１駆動線Ｄ１及び第２駆動線Ｄ２を介して発生させる駆動回路２３１と、検出腕部１２から検出信号を第１検出線Ｓ１及び第２検出線Ｓ２を介して検出する検出回路２３２と、を含む物理量センサ１であって、第１駆動線Ｄ１と第２駆動線Ｄ２との少なくとも一方を第１検出線Ｓ１及び第２検出線Ｓ２に対して静電結合を発生するように配線した。
【選択図】図２

Description

本発明は、機器に加わる角速度や加速度に応じた信号を出力する物理量センサに関する。

機器に加わる角速度や加速度に応じた信号を出力する物理量センサとして、機器に加わる角速度を検出するための角速度センサや、落下速度などの加速度を検出する加速度センサや、角速度（レートジャイロ）及び角度（姿勢ジャイロ）を計測するためのジャイロセンサなどが知られている。これらの物理量センサを自動車などに搭載し、衝突時のセンサとして利用するような場合、センサ自身の故障により衝突を検出できないことは致命的である。

この問題を解決するために、例えば特許文献１には、回転に応じて振動する検出アームを有する回転速度センサにおいて、検出アームに静電容量的に結合された試験電極を取り付け、始動前に試験電極から試験信号を供給することにより検出アームを試験的に振動させる方法が記載されている。

特許第２９３５８１０号公報

しかしながら、従来の方法では、検出アームに試験電極を取り付けるため回転速度センサとしての感度を犠牲にしており、さらに通常使う電極以外に試験電極を増やしているため電気的接点が多くなり信頼性を損なうという課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
駆動腕部と検出腕部とを備えた振動素子と、前記駆動腕部を駆動するための駆動信号を第１駆動線及び第２駆動線を介して発生させる駆動回路と、前記検出腕部から検出信号を第１検出線及び第２検出線を介して検出する検出回路と、を含む物理量センサであって、前記第１駆動線と前記第２駆動線との少なくとも一方を前記第１検出線及び前記第２検出線に対して静電結合を発生するように配線した、ことを特徴とする物理量センサ。

この構成によれば、物理量センサが静止した状態で駆動回路から駆動信号を発生させると、静電結合により第１検出線及び第２検出線に駆動信号が伝わり、擬似的な検出信号が発生するので検出回路が正常に動作するか否かを確認することができる。

［適用例２］
上記に記載の物理量センサにおいて、前記第１駆動線または前記第２駆動線の一方を前記第１検出線及び前記第２検出線に対して異なる静電結合を発生するように配線したことを特徴とする物理量センサ。

この構成によれば、物理量センサが静止した状態で駆動回路から駆動信号を発生させると、静電結合により第１検出線及び第２検出線に駆動信号が伝わり、擬似的な検出信号が発生するので検出回路が正常に動作するか否かを確認することができる。

［適用例３］
上記に記載の物理量センサにおいて、前記第１駆動線または前記第２駆動線の一方に第１インバータと第２インバータとを直列に接続し、前記駆動回路と前記第１インバータとを接続する配線と、前記第１インバータと前記第２インバータとを接続する配線と、を前記第１検出線及び前記第２検出線に対して静電結合を発生するように配線したことを特徴とする物理量センサ。

この構成によれば、物理量センサが静止した状態で駆動回路から駆動信号を発生させると、静電結合により第１検出線及び第２検出線に駆動信号が伝わり、擬似的な検出信号が発生するので検出回路が正常に動作するか否かを確認することができる。

［適用例４］
上記に記載の物理量センサにおいて、通常動作時は前記静電結合が発生しないように前記第１駆動線と前記第２駆動線との少なくとも一方の配線経路を切り替えることを特徴とする物理量センサ。

この構成によれば、通常動作時は静電結合が発生しないので物理量センサの検出感度を向上させることができる。

以下、物理量センサの実施形態について図面に従って説明する。

（第１実施形態）
＜ジャイロセンサの構成＞
まず、第１実施形態に係る物理量センサであるジャイロセンサの構成について、図１を参照して説明する。図１（Ａ）は、第１実施形態に係る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。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ジャイロセンサ１は、水晶などの圧電材料にて形成された振動素子であるジャイロ素子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、お互いに逆相に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、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。

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、角速度信号を出力端子２４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。

＜ジャイロセンサの回路構成＞
次に、ジャイロセンサの回路構成について図２を参照して説明する。図２（Ａ）は、ジャイロセンサの回路構成を示す回路図であり、図２（Ｂ）は、ジャイロセンサの動作を示すタイミング図である。

図２（Ａ）に示すように、図１で示した回路素子２３には、駆動腕部１１Ａ，１１Ｂを駆動するための駆動信号を発生させる駆動回路２３１と、検出腕部１２から出力される検出信号を角速度信号Ｖｏｕｔに変換し出力端子２４から出力する検出回路２３２と、を含んで構成されている。

ジャイロ素子１０の駆動腕部１１Ａ，１１Ｂに形成された電極は、第１駆動線Ｄ１及び第２駆動線Ｄ２を介して駆動回路２３１と接続されている。駆動回路２３１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、第１検出線Ｓ１及び第２検出線Ｓ２を介して検出回路２３２と接続されている。検出回路２３２は、図示しない差動増幅回路や同期検波回路、平滑回路、処理回路などで構成され、差動増幅回路は、第１検出線Ｓ１及び第２検出線Ｓ２を介して検出された検出信号を差動増幅し、同期検波回路は、差動増幅回路の出力信号が駆動回路２３１の信号に同期して検波され、同期検波回路の出力信号を平滑回路で平滑し、処理回路により角速度信号Ｖｏｕｔに変換される。

図２（Ａ）に示すように、第１駆動線Ｄ１は、第１検出線Ｓ１の近傍に幅Ｗの長さで静電結合を発生するように迂回して配線されている。また、第２駆動線Ｄ２は、第２検出線Ｓ２の近傍に幅Ｗの長さで静電結合を発生するように迂回して配線されている。

図２（Ｂ）は、ジャイロセンサ１が静止した状態で検出回路２３２が正常に動作するか否かを確認するための動作を示すタイミング図である。図２（Ｂ）に示すように、駆動回路２３１は、ジャイロ素子１０の駆動腕部１１Ａ，１１Ｂを駆動するための駆動信号波形を第１駆動線Ｄ１を介して出力する。第１検出線Ｓ１には、第１駆動線Ｄ１と第１検出線Ｓ１との間の幅Ｗの静電結合により、第１駆動線Ｄ１の駆動信号波形が伝わる。第２駆動線Ｄ２には、第１駆動線Ｄ１の駆動信号波形から第１検出線Ｓ１とは逆相の波形が生じる。第２検出線Ｓ２には、第２駆動線Ｄ２と第２検出線Ｓ２との間の幅Ｗの静電結合により、第２駆動線Ｄ２の波形が伝わる。

検出回路２３２には、第１検出線Ｓ１と第２検出線Ｓ２が擬似的な検出信号として入力され、出力端子２４から角速度信号Ｖｏｕｔが出力される。検出回路２３２が正常に動作していない場合は、角速度信号Ｖｏｕｔが所望の電圧にならないので故障していると判断できる。

以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。

本実施形態では、ジャイロセンサ１が静止した状態で駆動回路２３１から駆動信号を出力すると、静電結合により第１検出線Ｓ１及び第２検出線Ｓ２に駆動信号波形が伝わり、擬似的な検出信号が発生するので検出回路２３２が正常に動作するか否かを確認することができる。

以上、ジャイロセンサの実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）ジャイロセンサの変形例１について説明する。前記第１実施形態では、第１駆動線Ｄ１と第１検出線Ｓ１との間の幅Ｗの静電結合と、第２駆動線Ｄ２と第２検出線Ｓ２との間の幅Ｗの静電結合と、を利用してジャイロセンサ１が静止した状態での検出回路２３２の動作確認の方法について説明したが、図３（Ａ）に示すように、幅Ｗ１≠Ｗ２とし、第１駆動線Ｄ１と第１検出線Ｓ１との間の幅Ｗ１の静電結合と、第１駆動線Ｄ１と第２検出線Ｓ２との間の幅Ｗ２の静電結合と、を利用してもよい。このように異なる幅Ｗ１≠Ｗ２の静電結合を作ることにより、図３（Ｂ）に示すように、第１検出線Ｓ１と第２検出線Ｓ２とに生じる信号のタイミングは同じでも静電結合の差により振幅を異ならせることができる。第１検出線Ｓ１と第２検出線Ｓ２との振幅差を検出回路２３２に入力することにより、出力端子２４から角速度信号Ｖｏｕｔが出力される。検出回路２３２が正常に動作していない場合は、角速度信号Ｖｏｕｔが所望の電圧にならないので故障していると判断できる。

（変形例２）ジャイロセンサの変形例２について説明する。前記変形例１では、幅Ｗ１≠Ｗ２とし、第１駆動線Ｄ１と第１検出線Ｓ１との間の幅Ｗ１の静電結合と、第１駆動線Ｄ１と第２検出線Ｓ２との間の幅Ｗ２の静電結合と、を利用する方法について説明したが、図４（Ａ）に示すように、第１駆動線Ｄ１に２つのインバータＩＮ１，ＩＮ２を挿入し、インバータＩＮ１，ＩＮ２の間の配線Ｄ３により、第１駆動線Ｄ１と第１検出線Ｓ１との間の幅Ｗの静電結合と、配線Ｄ３と第２検出線Ｓ２との間の幅Ｗの静電結合と、を利用してもよい。図４（Ｂ）に示すように、第１検出線Ｓ１と第２検出線Ｓ２との振幅差を検出回路２３２に入力することにより、出力端子２４から角速度信号Ｖｏｕｔが出力される。検出回路２３２が正常に動作していない場合は、角速度信号Ｖｏｕｔが所望の電圧にならないので故障していると判断できる。

（変形例３）ジャイロセンサの変形例３について説明する。前記変形例２では、第１駆動線Ｄ１に２つのインバータＩＮ１，ＩＮ２を挿入し、インバータＩＮ１，ＩＮ２の間の配線Ｄ３により、第１駆動線Ｄ１と第１検出線Ｓ１との間の幅Ｗの静電結合と、配線Ｄ３と第２検出線Ｓ２との間の幅Ｗの静電結合と、を利用する方法を説明したが、通常動作時はインバータＩＮ１，ＩＮ２は不要である。この問題を回避するために、図５に示すように、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ７を挿入し、通常動作時はスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ３を接続かつスイッチ素子ＳＷ４〜ＳＷ７を非接続にし、起動時に検出回路２３２の動作確認をする時はスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ３を非接続かつスイッチ素子ＳＷ４〜ＳＷ７を接続にするようにすればよい。

ジャイロセンサの構成を示す平面図及び断面図。 第１実施形態に係るジャイロセンサの構成を示す回路図及びタイミング図。 変形例１に係るジャイロセンサの構成を示す回路図及びタイミング図。 変形例２に係るジャイロセンサの構成を示す回路図及びタイミング図。 変形例３に係るジャイロセンサの構成を示す回路図。

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、２１…パッケージ底部、２２…支持基板、２３…回路素子、２４，２５…出力端子、２７…接続電極、２３１…駆動回路、２３２…検出回路。

Claims (4)

1. 駆動腕部と検出腕部とを備えた振動素子と、
   前記駆動腕部を駆動するための駆動信号を第１駆動線及び第２駆動線を介して発生させる駆動回路と、
   前記検出腕部から検出信号を第１検出線及び第２検出線を介して検出する検出回路と、
   を含む物理量センサであって、
   前記第１駆動線と前記第２駆動線との少なくとも一方を前記第１検出線及び前記第２検出線に対して静電結合を発生するように配線した、
   ことを特徴とする物理量センサ。
2. 請求項１に記載の物理量センサにおいて、前記第１駆動線または前記第２駆動線の一方を前記第１検出線及び前記第２検出線に対して異なる静電結合を発生するように配線したことを特徴とする物理量センサ。
3. 請求項１に記載の物理量センサにおいて、前記第１駆動線または前記第２駆動線の一方に第１インバータと第２インバータとを直列に接続し、前記駆動回路と前記第１インバータとを接続する配線と、前記第１インバータと前記第２インバータとを接続する配線と、を前記第１検出線及び前記第２検出線に対して静電結合を発生するように配線したことを特徴とする物理量センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の物理量センサにおいて、通常動作時は前記静電結合が発生しないように前記第１駆動線と前記第２駆動線との少なくとも一方の配線経路を切り替えることを特徴とする物理量センサ。

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