JP2008139054A - 角速度センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電振動片の振動を利用した角速度センサにおいて、角速度を検出する第1軸および該第1軸と直交する方向に設定された第2軸とを有し、第1軸の検出感度に対して第2軸の検出感度を15〜55%とした。このことで、本発明の角速度センサを取付角度が大きなナビゲーション装置に備えた場合、角速度センサの検出軸と、実際の回転が加わる軸との角度が40°までの取り付けにおいて、±15%以下の感度補正ですみ、この取付角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることができる。
【選択図】図8
Description
通常、ナビゲーション装置の車両への取り付けは、室内のセンターコンソール内に装着することが行われている。例えば、図11に示すように、車両100の室内のセンターコンソール内にナビゲーション装置101が装着される。このとき、ナビゲーション装置101の視認性の向上および操作部の操作性向上のために、操作パネル面が上向きとなるように装着される。この場合、車両の接地面に対する垂直方向からナビゲーション装置101は角度θ°傾けて取り付けられることになる。
このナビゲーション装置101が車両100に取り付けられた状態では、図12に示すように、このナビゲーション装置に備えられた角速度センサ104が回路基板105上に車両の接地面に対する垂直方向の軸108から角度θ°傾けられている。軸108は車両が回転するときの回転軸であり、角速度センサ104に内蔵されたセンサ素子106の角速度の検出軸(Z軸)109とは一致せず、θ°の傾きを持った状態に保持されている。このように、従来の角速度センサ104は回転の検出軸が1つであり、検出軸と直交する方向の軸に対する回転を検出しないことが一般的である。
また、これらを解決するために角速度センサに内蔵されたセンサ素子(圧電振動子)を取り付け角に対応して、予めその分を傾斜させて取り付けた角速度センサが提案されている(特許文献1、2参照)。
この場合、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが精度上好ましくなく、またセンサ素子(圧電振動子)を傾けて固定することはパッケージの大きさが大きくなるなどの問題がある。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、センサ素子を傾けて固定することなく、角速度センサの検出軸と、実際の回転が加わる軸との角度が大きくても精度の良い角速度を検出可能な角速度センサを提供することにある。
なお、ここで角速度センサにおける検出軸が実際の回転のかかる軸に対して傾きが生ずると、感度出力が低下する特性を持ち、傾き角による感度比A,Bが決められている。
このように、本発明の角速度センサは、角速度を検出する検出部が異なり、また、屈曲振動の方向が異なることから、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行える。
(第1の実施形態)
圧電振動片10の平面形状は、水晶の結晶軸に合わせてXY平面に展開され、重心位置Gに対して180°点対称の形状である。
駆動腕40は、基部20の端面からX軸方向に延出される第1の連結腕31と、第1の連結腕31に対して直交しY軸方向及びマイナスY軸方向に延出される2本の振動部41,42で構成されている。同様に、駆動腕50は、基部20からマイナスX軸方向に延出される第2の連結腕32に直交しY軸方向及びマイナスY軸方向に延出される2本の振動部51,52で構成されている。
また、検出腕60は、基部20の2端部からY軸方向及びマイナスY軸方向の直線上に延出される検出腕部61,62と、検出腕部61,62の先端に形成される各検出腕部より幅の広い略四角形の錘部63,64と、から構成されている。
このように錘部63,64を設ける理由は、後述するY軸回転系の角速度検出において、検出腕60の捩れ振動を効率よく発生させるためである。
なお、前述の錘部43,44,53,54,63,64、及び溝45,46,55,56,65,66は、圧電振動片10を小型化するために設けられているが、本発明を特に限定するものではない。
上述したような形状の圧電振動片10は、一般にWT型圧電振動片と呼称され、小型化及び高精度化に有利であるとされており、検出腕部61,62の幅と錘部63,64の幅との関係以外は、既に提案されているWT型(ダブルT型)の圧電振動片と同様な構成である。
図2は、本実施形態の圧電振動片の駆動モード(回転が加わらない状態)を模式的に示す説明図、図3はZ軸検出モードを模式的に示す説明図である。図2,3は、振動形態を分かりやすく表現するために、駆動腕40,50及び検出腕60を簡略化して線で表している。図1と同じ構成部分を同じ符号で示し、構造の説明を省略する。
矢印B方向のコリオリ力が働くことにより、駆動腕40,50は重心位置Gに対して周方向の振動となる。また同時に、検出腕部61,62は、矢印Cに示すように、矢印Bの振動に呼応して矢印Bとは周方向反対向きの屈曲振動を行う。
Z軸回転系においては、Z軸に垂直なY軸回転系またはX軸回転系の検出感度は無視できる。
図4〜図6は、Y軸回転系の振動モードを示し、図4は斜視図、図5,6は図4の上方(矢印A方向)から視認した状態を示す上側面図である。駆動腕40,50が屈曲振動している状態においてY軸回りに回転角速度ωが加えられたときに、駆動腕40,50は、図4に示すようにコリオリ力によりX方向の屈曲振動とZ軸方向の屈曲振動とを合成した振動モードで振動する。
つまり、コリオリ力によって、駆動腕40は第1の連結腕31を振動の軸として、また駆動腕50は第2の連結腕32を振動の軸に対してそれぞれが逆位相でZ方向に屈曲振動する。すると、検出腕60には、矢印T方向の捩れ振動が発生する。この捩れ振動を検出することにより角速度に応じた検出信号を検出回路に出力する。そして、半導体装置により角速度に対応した電気信号を出力する。
このようにして、検出腕60は、コリオリ力Fにより図5,6に示すように捩れ振動を繰り返し、検出信号を出力し、Y軸回転系の角速度を検出することができる。
なお、X軸回転系の場合にはコリオリ力が発生しないので検出腕60に検出信号が出力されない。
なお、Y軸(+Y軸)側の検出腕とマイナスY軸側の検出腕は、基部20から視認してそれぞれが逆方向に回転振動する。従って、それぞれの検出腕は逆位相の検出信号を出力し、この検出信号を合成することにより、出力は一方の検出腕からの出力の2倍となり、検出感度を高めている。
この状態で車両に回転が加わると、図7に示すように各軸に角速度が検出される。
車両の接地面に対する垂直方向の軸108が車両の回転軸となり角速度ωが生じるが、角速度センサは軸108からθ°傾いているため、Z軸およびY軸に角速度ωZ,ωYがかかったようにZ軸の感度出力QZ,Y軸の感度出力QYを検出する。そして、Z軸の感度出力QZ,Y軸の感度出力QYのそれぞれを、軸108方向に分解した感度出力Q1,Q2が得られ、この感度出力Q1,Q2の和が軸108に加わる感度出力Qとなる。このことを数式で表すと下式(1)で表せる。
Q=Q1+Q2=Acosθ+Bsinθ ・・・(1)
ここで、AおよびBは、角速度センサの角速度の検出軸(Z軸,Y軸)と実際に回転が加わる軸(回転軸)との傾き角により感度変化を表す感度比である。
図8はZ軸と実際の回転軸との傾き角が0°のときの感度出力を100%とし、傾き角が0〜90°における他軸感度0,15,35,55%のときの相対感度を示したグラフである。このグラフから分かるように、他軸感度0%のとき、つまり検出軸がZ軸のみの場合、傾き角が大きくなるに従い相対感度が低下していき、傾き角30°あたりでソフトウェアに基づいた演算処理による補正の限界である相対感度が85%を超え、傾き角40°でおよそ相対感度が77%にまで低下してしまう。
これに対して、他軸感度15%のときは、傾き角が大きくなるに従い相対感度が低下していくが、傾き角40°において相対感度が85%となっている。
また、他軸感度55%のときは、傾き角が約30°までは傾き角が大きくなるにつれ相対感度が増加し、その値はおよそ115%を示している。そして、傾き角40°でおよそ112%の相対感度を有している。
さらに、他軸感度35%では一旦、相対感度が106%程度に増加するが、傾き角40°で100%の相対感度を有している。
なお、他軸感度の調整には、Y軸検出振動における離調周波数の調整により行われる。検出周波数を駆動周波数と離して調整することを離調するといい、駆動周波数から検出周波数が離れていくに従い感度が低下する特性を有している。このことを利用して、離調周波数を選ぶことで他軸感度を調整することが可能である。
例えば、Y軸方向2mm、X軸方向1.9mmの圧電振動片としたとき、他軸感度15%の場合、駆動周波数53kHz、Z軸離調周波数1000Hz、Y軸離調周波数1500Hzである。また、他軸感度35%の場合、駆動周波数53kHz、Z軸離調周波数1000Hz、Y軸離調周波数700Hzである。さらに、他軸感度55%の場合、駆動周波数53kHz、Z軸離調周波数1000Hz、Y軸離調周波数400Hzである。
錘部63,64の表裏両面には予めAu層を形成しておく。このAu層が付加質量であり、このAu層をレーザを用いて所定の離調周波数になるように除去する。
この際、錘部63,64の幅方向外側端部または内側端部から長手方向に線状に、しかも徐々に内側端部に向かって除去していく。前述したように、Y軸回転系の検出は捩れ振動成分を検出するため、捩れ振動に影響を与えやすい錘部の幅方向外側から質量除去を行えば、効率よく離調周波数調整を行える。
一方、質量付加による検出離調周波数の調整については詳しい説明を省略するが、上述した質量除去の考え方を応用することで可能である。つまり、予め、Y軸離調周波数をプラス側に設定しておき、錘部63,64にスパッタリングや蒸着法により質量を付加すればよい。
(第2の実施形態)
図9は、本発明の実施形態に係る他の角速度センサの構造を示す構成図であり、図9(a)は平面図、図9(b)は同図(a)の側面図である。
図9において、本実施形態の角速度センサ2は圧電振動片70と図示しない検出手段としての検出回路と励振手段としての発振回路とから構成されている。なお、圧電振動片70は、周知の圧電材料にて形成することが可能であるが、本実施形態では水晶振動片を例示する。
なお、振動腕部71a,71bには図示しない駆動電極と第2の検出電極が形成され、さらに、検出部73a,73bには第1の検出電極が形成されている。これら駆動電極および検出電極は支持固定部74a,74bまで引き出されて図示しない発振回路、検出回路に接続されている。
図10は圧電振動片の各振動モード(駆動モード、Z軸検出モード、Y軸検出モード)を模式的に示す説明図であり、各振動モードにおいて平面図と側面図を示している。
図10(a)は圧電振動片70に回転が加わらない状態の駆動モードにおける振動を示し、振動腕部71a,71bがお互いに左右対称にX軸方向の屈曲振動する。この振動は面内対称屈曲1次振動モードと呼ばれる屈曲振動である。
次に、この駆動モードで振動している圧電振動片70にZ軸回りの回転を与える。例えば、図10(a)において、時計回りの回転が生じると、振動腕部71a,71bがお互い遠ざかる方向に振動しているときには、左側の振動腕部71aに図中下向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部71bには図中上向きのコリオリ力が働く。また、振動腕部71a,71bがお互い近づく方向に振動しているときには、左側の振動腕部71aに図中上向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部71bには図中下向きのコリオリ力が働く。従って、振動腕部71a,71bには図中上下方向(Y軸方向)にすべるようにお互い逆向きにコリオリ力が働くので、振動腕部71a,71bには図10(b)に示すような屈曲振動が生じる。この振動は面内非対称屈曲2次振動モードと呼ばれる屈曲振動である。このとき、この屈曲振動によって、双音叉支持部72a,72bにはそれぞれモーメントが発生し、検出部73a,73bはこれに対応してX軸方向に振動する。
なお、検出信号としてはZ軸回りの角速度ωZに比例した電圧が得られるが、Z軸回りの回転方向が逆になると振動腕部71a,71bのそれぞれに働くコリオリ力の方向が反転し、これに応じて検出信号の極性も反転するので、駆動信号に対する検出信号の位相差を測定しておけば、Z軸に対する回転方向の検出が可能である。
また、振動腕部71a,71bがお互い近づく方向に振動しているときには、左側の振動腕部71aにZ方向下向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部71bにはZ軸方向上向きのコリオリ力が働く。この結果、図10(c)に示すようなZ軸方向の屈曲振動が生ずる。
なお、検出信号としてはY軸回りの角速度ωrに比例した電圧が得られるが、Y軸回りの回転方向が逆になると振動腕部71a,71bのそれぞれに働くコリオリ力の方向が反転し、これに応じて検出信号の極性も反転するので、駆動信号に対する検出信号の位相差を測定しておけば、Y軸に対する回転方向の検出が可能である。
つまり、いわゆる双音叉型の角速度センサ2において、ナビゲーション装置などに角速度センサ2が備えられ、装置が傾いた状態で取り付けられることで角速度センサ2の姿勢が傾いても、角速度を検出するZ軸およびY軸からの出力を利用して、実際の回転軸にかかる角速度を検出することができる。このとき、角速度センサ2のZ軸の検出感度に対してY軸の検出感度を15〜55%とすることで、傾き角40°までにおいては相対感度を±15%内に抑えることができ、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが可能である。
この、いわゆる双音叉型の角速度センサ2において、Z軸の振動成分の検出は検出部73a,73bの屈曲振動の検出であり、Y軸の振動成分の検出は振動腕部71a,71bの屈曲振動の検出である。また、これらの屈曲振動の方向はそれぞれ直交する方向に振動している。このように、本発明に係る角速度センサ2は、角速度を検出する検出部が異なり、また、屈曲振動の方向が異なることから、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行うことができる。
Claims (4)
- 圧電振動片の振動を利用した角速度センサであって、
角速度を検出する第1軸および該第1軸と直交する方向に設定された第2軸とを有し、
前記第1軸の検出感度に対して前記第2軸の検出感度を15〜55%としたことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1に記載の角速度センサにおいて、
角速度の感度出力をQ、前記第1軸と回転のかかる軸の方向との角度をθ、前記第1軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をA、前記第2軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をB、としたとき、
Q=Acosθ+Bsinθ
の式にて感度出力が算出されることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1または2に記載の角速度センサにおいて、
前記圧電振動片が、基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕から前記第2軸に平行に延出され前記第1軸および第2軸に直交する方向に屈曲振動可能な駆動腕と、前記基部から延出する前記駆動腕に平行な検出腕と、を有し、
前記検出腕における前記第1軸の角速度の検出が屈曲振動の検出で、
前記検出腕における前記第2軸の角速度の検出が捩れ振動の検出であることを特徴とする角速度センサ。 - 請求項1または2に記載の角速度センサにおいて、
前記圧電振動片が、前記第2軸に平行に延出された2本の振動腕部と、前記振動腕部の両端をそれぞれ支持する2つ双音叉支持部と、前記双音叉支持部の近傍に配置される2つの支持固定部と、前記支持固定部と前記双音叉支持部との間をそれぞれ連結し前記第2軸に平行に延出された2つ検出部と、を有し、
前記第1軸の角速度の検出が前記検出部の前記第1軸方向および前記第2軸に直交する方向の屈曲振動の検出であり、
前記第2軸の角速度の検出が前記双音叉支持部の前記第1軸方向の屈曲振動の検出であることを特徴とする角速度センサ。
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