(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性材料からなり、共振周波数で振動させるための駆動電極と信号を検出する検出電極と一定の電位に保たれる基準電極とを持つ圧電振動子と、該圧電振動子の前記検出電極より検出される微小信号出力を増幅するチャージアンプ回路とを備えるセンサにおいて、前記駆動電極は前記圧電振動子の振動部分に設置された主駆動部と駆動電圧が印加される駆動出力パッドと該駆動出力パッドおよび前記主駆動部に接続された駆動引出し部とからなり、前記検出電極は前記主駆動部に対向して前記振動部分に設置された主検出部と検出信号を取り出す検出出力パッドと該検出出力パッドおよび前記主検出部に接続された検出引出し部とからなり、前記基準電極は前記主駆動部に対向して前記振動部分に設置された主基準部と基準電位が印加される基準出力パッドと該基準出力パッドおよび前記主基準部に接続された基準引出し部とからなり、前記検出引出し部の一部と前記基準引出し部の一部との間、または前記検出引出し部の一部と前記駆動引出し部の一部との間、または前記基準引出し部の一部と前記駆動引出し部の一部との間、のうち少なくともいずれか一つの間において、互いに対向し静電容量を有する対向電極対が形成され、該対向電極対の少なくとも一部を削除して前記静電容量を変えることによって前記チャージアンプ回路の増幅率を変え、当該センサの感度を調整することを特徴とするセンサ感度調整手段。
【請求項２】
前記対向電極対の一部を削除する手段としてレーザー照射によるトリミングを用いたことを特徴とする請求項１に記載のセンサ感度調整手段。
【請求項３】
圧電性材料からなり、共振周波数で振動させるための駆動電極と信号を検出する検出電極と一定の電位に保たれる基準電極とを持つ圧電振動子と、該圧電振動子の前記検出電極より検出される微小信号出力を増幅するチャージアンプ回路とを備えるセンサの製造方法において、前記駆動電極は前記圧電振動子の振動部分に設置された主駆動部と駆動電圧が印加される駆動出力パッドと該駆動出力パッドおよび前記主駆動部に接続された駆動引出し部とからなり、前記検出電極は前記主駆動部に対向して前記振動部分に設置された主検出部と検出信号を取り出す検出出力パッドと該検出出力パッドおよび前記主検出部に接続された検出引出し部とからなり、前記基準電極は前記主駆動部に対向して前記振動部分に設置された主基準部と基準電位が印加される基準出力パッドと該基準出力パッドおよび前記主基準部に接続された基準引出し部とからなり、前記検出引出し部の一部と前記基準引出し部の一部との間、または前記検出引出し部の一部と前記駆動引出し部の一部との間、または前記基準引出し部の一部と前記駆動引出し部の一部との間、のうち少なくともいずれか一つの間において、互いに対向し静電容量を有する対向電極対が形成され、該対向電極対の少なくとも一部を削除して前記静電容量を変えることによって前記チャージアンプ回路の増幅率を変え、当該センサの感度を調整することを特徴とするセンサの製造方法。
【請求項４】
前記対向電極対の一部を削除する手段としてレーザー照射によるトリミングを用いたことを特徴とする請求項３に記載のセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動ジャイロ、加速度センサ、圧力センサなど圧電素子の共振振動を用いたセンサの感度を調整するセンサ感度調整手段及びセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子を使用し、その振動モードや共振周波数の変化など検出することにより角速度や加速度、圧力などを検出するセンサは様々な用途に利用されている。例えば、圧電振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。具体的には、電気的な信号を印加することで発生させた駆動振動モードの振動と直交する方向の振動、つまり検出振動モードの大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動振動モードを励振した状態で、駆動振動モードの振動面と検出振動モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出振動モードが発生し、出力電圧として検出される。検出された出力電圧は、駆動振動モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆動振動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。
【０００３】
圧電振動子として、２本のアーム部を有する音叉型圧電振動子を例として圧電振動ジャイロの基本的な動作原理について説明する。図３は、音叉型圧電振動子の形状と振動モードを示す図であり、図３（ａ）は音叉型圧電振動子の斜視図、図３（ｂ）のは面内振動を示す図、図３（ｃ）は面外振動を示す図である。図３において、５０は音叉型の圧電振動子、５１は基部、５２ａ、５２ｂはアーム部である。図３における矢印はアームの変位方向、即ち振動の方向を示し、面内振動は２つのアーム部の軸を含む平面に平行な方向な振動であり、面外振動は面内振動に直交する方向の振動である。
【０００４】
この音叉型圧電振動子は圧電材料で構成され、表面に面内振動及び面外振動の振動モードに結合した電極を配置し、励振及び検出を可能とする。さらに具体的には、面内振動モードの共振周波数に近い周波数の駆動信号を電極に印加し、音叉振動モードを励振した状態で、振動子の長さ方向の軸に角速度を印加すると、振動子には、角速度に比例したコリオリ力が働き、面外振動モードを生じる。この面外振動モードによって生じる電気信号を検出電極から取り出せば、角速度に比例した電気信号が得られ、圧電振動ジャイロとして機能させることができる。
【０００５】
図４は、上記の音叉型圧電振動子の従来の電極構造の一例を示す斜視図である。駆動信号が印加される駆動電極は振動部分であるアーム部１０１ａ及び１０１ｂにそれぞれ設置された主駆動部１１ａ及び１１ｂと駆動電圧が印加される駆動出力パッド１１ｅ及び１１ｆと駆動出力パッドの駆動電圧をそれぞれ主駆動部に導く駆動引出し部１１ｃ及び１１ｄとからなり、検出電極は主駆動部１１ａ及び１１ｂにそれぞれ対向してアーム部１０１ａ、１０１ｂにそれぞれ設置された主検出部１２ａ及び１２ｂと検出信号を取り出す検出出力パッド１２ｅ及び１２ｆと主検出部の信号をそれぞれ検出出力パッドまで導く検出引出し部１２ｃ及び１２ｄとからなり、検出電極及び駆動電極に対して基準電位を与える基準電極は主駆動部１１ａ及び１１ｂにそれぞれ対向してアーム部１０１ａ、１０１ｂにそれぞれ設置された主基準部１３ａ及び１３ｂと基準電位が印加される基準出力パッド１３ｄと基準出力パッド１３ｄの基準電位を主基準部１３ａ、１３ｂに導く基準引出し部１３ｃとからなっている。
【０００６】
上記の圧電振動ジャイロなどの圧電振動子を使用したセンサは、他の機械的振動機構を使用したセンサに比べて安価で小型に構成できるので、携帯用小型機器や小型装置の検出用センサとして、広く利用されている。しかし、近年、これら携帯用機器の小型化、機能の高集積化が益々進められるに伴い、さらなる小型化、低コスト化の要求が高まっている。
【０００７】
センサの小型化を図る上で、解決すべき課題の一つとして、小型化に伴って生じる、圧電振動子の加工精度や組み立て精度のばらつきの相対的な増加に対処するため、効率の高い補正手段を考える必要性が挙げられる。これらのばらつきは、圧電振動子の駆動振動モードや検出振動モードなどの共振周波数のばらつきに影響を与え、センサの検出感度のばらつきに大きな影響を与える。
【０００８】
従来、このような検出感度のばらつきの調整方法としては、振動子側で調整する方法とセンサ回路側で調整する方法があり、圧電振動子を組み立てた後、機械的加工などで調整して振動子側で一定の範囲のばらつきに収束させ、最終的には回路側で高精度の調整を施すという方法で行われてきた。
【０００９】
図５は、上述の図４の圧電振動子を使用した圧電振動ジャイロの回路構成の一例を示す回路図である。図５において、音叉型の圧電振動子１００の駆動電極の駆動出力パッド１１ｅおよび１１ｆは自励発振回路１０３に接続され、圧電振動子１００の共振周波数で励振される。基準電極の基準出力パッド１３ｄは基準電位に接続される。検出電極の検出出力パッド１２ｅまたは１２ｆに発生する電荷は演算増幅器の入出力端子間に帰還負荷として帰還容量１０６を接続したチャージアンプ１０２によって増幅され電圧に変換される。さらに同期検波回路１０４および低域濾波（ＬＰＦ）回路１０５によって整流増幅され、ＤＣ電圧として出力される。センサ感度は、圧電振動子１００の駆動振幅、圧電振動子１００の検出感度、チャージアンプ１０２の増幅率、同期検波回路１０４の増幅率およびＬＰＦ回路１０５の増幅率から決定される。
【００１０】
特許文献１に回路側でのセンサ感度の調整方法として、同期検波回路の出力側に可変抵抗を用いた可変増幅器を設け、その可変抵抗の調整により感度調整を行なう方法が示されている。
【００１１】
一方、振動子側での調整方法としては、駆動電極の主駆動部１１ａや１１ｂの一部、または検出電極の主検出部１２ａや１２ｂの一部などをレーザーによりトリミングし、感度を下げる方法が特許文献２に示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−９３２３３号公報
【特許文献２】特開２００６−１０５６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１の感度調整方法では通常ＩＣ化されているセンサ回路の外部に可変抵抗器が必要なため、小型化が困難である。また、この可変抵抗器をＩＣ内部に取り込んで設計することもできるが、この場合はＩＣが複雑になり、低コスト化の障害となる。
【００１４】
さらに、回路側での調整方法としては、自励発振回路１０３の駆動電圧を変えて圧電振動子の駆動振幅を調整する方法と、ＬＰＦ回路１０５の増幅率を調整する方法が一般的であるが、これらはいずれもトリミング抵抗によって抵抗値を調整するか、アナログスイッチＩＣによって電圧や抵抗値を調整する方法であり、小型化および低価格化の妨げとなっている。
【００１５】
一方、特許文献２などに示される振動子側での調整方法はチャージアンプ１０２の帰還容量１０６が、圧電振動子１００の検出電極と駆動電極との間の結合容量や検出電極と基準電極の間との結合容量に対して大きい場合には有効であるが、小さい場合には問題が生じる。駆動電極の主駆動部や検出電極の主検出部を切断すると互いの結合容量が減少し、その結果チャージアンプ１０２の増幅率が上がってしまうからである。すなわち、チャージアンプの増幅率は入力容量と帰還容量の比で決まるため、センサ回路の増幅率が上がり、圧電振動子１００の電極面積削減による検出感度の低下を相殺してしまうからである。
【００１６】
そこで、本発明の課題は、小型化、低価格化が可能であり、チャージアンプの帰還容量が駆動電極と検出電極との間の結合容量や検出電極と基準電極との間の結合容量に対して小さい場合にもセンサ感度の調整が可能なセンサ感度調整手段及びセンサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を達成するために、本発明のセンサ感度調整手段は、圧電性材料からなり、共振周波数で振動させるための駆動電極と信号を検出する検出電極と一定の電位に保たれる基準電極とを持つ圧電振動子と、該圧電振動子の前記検出電極より検出される微小信号出力を増幅するチャージアンプ回路とを備えるセンサにおいて、前記駆動電極は前記圧電振動子の振動部分に設置された主駆動部と駆動電圧が印加される駆動出力パッドと該駆動出力パッドおよび前記主駆動部に接続された駆動引出し部とからなり、前記検出電極は前記主駆動部に対向して前記振動部分に設置された主検出部と検出信号を取り出す検出出力パッドと該検出出力パッドおよび前記主検出部に接続された検出引出し部とからなり、前記基準電極は前記主駆動部に対向して前記振動部分に設置された主基準部と基準電位が印加される基準出力パッドと該基準出力パッドおよび前記主基準部に接続された基準引出し部とからなり、前記検出引出し部の一部と前記基準引出し部の一部との間、または前記検出引出し部の一部と前記駆動引出し部の一部との間、または前記基準引出し部の一部と前記駆動引出し部の一部との間、のうち少なくともいずれか一つの間において、互いに対向し静電容量を有する対向電極対が形成され、該対向電極対の少なくとも一部を削除して前記静電容量を変えることによって前記チャージアンプ回路の増幅率を変え、当該センサの感度を調整すること及びこの調整を行ってセンサを製造することを特徴とする。
【００１８】
前記対向電極対の一部を削除する手段としてレーザー照射によるトリミングを用いてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、上記のように主駆動部、主検出部、主基準部などの圧電振動子の振動部分に直接形成された電極部分ではなく、それらの電極部分や出力パッドに接続された引き出し部分の電極間に結合容量を有する対向電極対を設け、その対向電極対の一部を例えばレーザトリミングなどの方法により削除することにより、圧電振動子の駆動振幅や検出感度などに影響を与えることなくやチャージアンプ回路の増幅率を変化させることができ、センサ感度を調整することができる。
【００２０】
これにより、小型化、低価格化が可能であり、チャージアンプの帰還容量が駆動電極と検出電極との間の結合容量や検出電極と基準電極との間の結合容量に対して小さい場合にもセンサ感度の調整が可能なセンサ感度調整手段及びセンサの製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１は、本発明によるセンサ感度調整手段の第一の実施の形態を説明するための図であり、本実施の形態に使用する音叉型の圧電振動子１１０の電極構造を示す斜視図である。本実施の形態においても、図４に示した従来の音叉型の圧電振動子と同様に、駆動信号が印加される駆動電極は振動部分であるアーム部１０１ａ及び１０１ｂにそれぞれ設置された主駆動部１１ａ及び１１ｂと駆動電圧が印加される駆動出力パッド１１ｅ及び１１ｆと駆動出力パッドの駆動電圧をそれぞれ主駆動部に導く駆動引出し部１１ｃ及び１１ｄとからなり、検出電極は主駆動部１１ａ及び１１ｂにそれぞれ対向してアーム部１０１ａ、１０１ｂにそれぞれ設置された主検出部１２ａ及び１２ｂと検出信号を取り出す検出出力パッド１２ｅ及び１２ｆと主検出部の信号をそれぞれ検出出力パッドまで導く検出引出し部１２ｃ及び１２ｄとからなり、検出電極及び駆動電極に対して基準電位を与える基準電極は主駆動部１１ａ及び１１ｂにそれぞれ対向してアーム部１０１ａ、１０１ｂにそれぞれ設置された主基準部１３ａ及び１３ｂと基準電位が印加される基準出力パッド１３ｄと該基準出力パッドの基準電位を前記主基準部に導く基準引出し部１３ｃとからなっている。なお、各電極の出力パッド、引出し部は圧電振動子の振動しない基部に配置されている。
【００２３】
但し、図１においては、検出引出し部１２ｃの一部と駆動引出し部１１ｃの一部との間、及び検出引出し部１２ｄの一部と駆動引出し部１１ｄの一部との間でそれぞれ互いに対向し静電容量を有する対向電極対１４ａおよび１４ｂが形成されている。ここで、対向電極対１４ａおよび１４ｂはそれぞれ静電容量を大きくするため複数の電極指によりインターデジタル電極を構成している。
【００２４】
図５のセンサ回路においては検出出力パッド１２ｅまたは１２ｆの一方に接続されるチャージアンプ１０２のみが示されているが、実際のセンサ回路においては、特許文献１及び特許文献２に示されているのと同様な回路により、検出出力パッド１２ｅおよび１２ｆにそれぞれチャージアンプが接続され、その両者の出力が差動アンプを通して同期検波回路１０４に入力されるのが望ましい。そこで、本実施の形態の圧電振動子では対向電極対１４ａと１４ｂを対称に配置している。
【００２５】
この対向電極対１４ａおよび１４ｂの電極指の一部を例えばレーザトリミングにより切断すると、駆動電極と検出電極との間の結合静電容量が減少し、チャージアンプ１０２の増幅率が上がり、センサ全体の感度が大きくなる。また、対向電極対１４ａおよび１４ｂは圧電振動子１１０の振動しない部分に配置されているため、圧電振動子の振動振幅や検出感度に影響を与えることはない。
【００２６】
図２は、本発明によるセンサ感度調整手段の第二の実施の形態を説明するための図であり、本実施の形態に使用する音叉型の圧電振動子１２０の電極構造を示す斜視図である。本実施の形態においても、図１に示した音叉型の圧電振動子と同様に、振動部分であるアーム部１０１ａ及び１０１ｂにそれぞれ設置された主駆動部１１ａ及び１１ｂ、主検出部１２ａ及び１２ｂ、主基準部１３ａ及び１３ｂ、と圧電振動子の基部に設置された駆動出力パッド１１ｅ及び１１ｆ、駆動引出し部１１ｃ及び１１ｄ、検出出力パッド１２ｅ及び１２ｆ、検出引出し部１２ｃ及び１２ｄ、基準出力パッド１３ｄ、基準引出し部１３ｃの電極部分を有している。
【００２７】
但し、本実施の形態においては、検出引出し部１２ｃ、検出引出し部１２ｄは主検出部と検出出力パッドを単に接続する部分だけでなく、基準引出し部と対向する側にも設置されており、その部分において検出引出し部の一部と基準引出し部１３ｃの一部との間でそれぞれ互いに対向し静電容量を有する対向電極対１５ａおよび１５ｂが形成されている。ここでも、対向電極対１５ａおよび１５ｂはそれぞれ静電容量を大きくするため複数の電極指によりインターデジタル電極を構成している。
【００２８】
本実施の形態においても、対向電極対１５ａおよび１５ｂの電極指の一部をレーザトリミングにより切断すると、基準電極と検出電極との間の結合静電容量が減少し、チャージアンプ１０２の増幅率が上がり、センサ全体の感度が大きくなる。また、対向電極対１５ａおよび１５ｂは圧電振動子１２０の振動しない基部に配置されているため、圧電振動子の振動振幅や検出感度に影響を与えることはない。
【００２９】
以上のように、本発明により圧電振動子の振動振幅や検出感度に影響を与えることはなく、センサ感度の調整が可能なセンサ感度調整手段及びセンサの製造方法が得られ、また、本発明の感度調整手段はセンサ回路において調整する方法に比べて小型化、低価格化が可能である。
【００３０】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではないことは言うまでも無く、例えば、基準引出し部の一部と駆動引出し部の一部との間において対向電極対を設けてもよい。また、本発明は、圧電振動ジャイロだけでなく、圧電共振振動による圧電振動子を利用した加速度センサや圧力センサなどにおいても、振動部分以外に設けた電極部分に対向電極対を設けてその静電容量を調整することにより感度調整が可能である。圧電振動子の形態や電極構造なども用途に合わせて設計変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明によるセンサ感度調整手段の第一の実施の形態を説明するための図、本実施の形態に使用する音叉型の圧電振動子の電極構造を示す斜視図。
【図２】本発明の第二の実施の形態を説明するための図、本実施の形態に使用する音叉型の圧電振動子の電極構造を示す斜視図。
【図３】音叉型圧電振動子の形状と振動モードを示す図、図３（ａ）は音叉型圧電振動子の斜視図、図３（ｂ）は面内振動を示す図、図３（ｃ）は面外振動を示す図。
【図４】音叉型圧電振動子の従来の電極構造の一例を示す斜視図。
【図５】圧電振動子を使用した圧電振動ジャイロの回路構成の一例を示す回路図。
【符号の説明】
【００３２】
１１ａ、１１ｂ    主駆動部
１１ｃ、１１ｄ    駆動引出し部
１１ｅ、１１ｆ    駆動出力パッド
１２ａ、１２ｂ    主検出部
１２ｃ、１２ｄ    検出引出し部
１２ｅ、１２ｆ    検出出力パッド
１３ａ、１３ｂ    主基準部
１３ｃ    基準引出し部
１３ｄ    基準出力パッド
１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ    対向電極対
５０、１００、１１０、１２０    圧電振動子
５２ａ、５２ｂ、１０１ａ、１０１ｂ    アーム部
１０２    チャージアンプ
１０３    自励発振回路
１０４    同期検波回路
１０５    ＬＰＦ回路
１０６    帰還容量
【図１】
0005187836.tif 000002
【図２】
0005187836.tif 000003
【図３】
0005187836.tif 000004
【図４】
0005187836.tif 000005
【図５】
0005187836.tif 000006