JP4767327B2 - Angular velocity sensor - Google Patents
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本発明は角速度センサおよび加速度検出機能をもった角速度センサに関し、特に、多軸まわりの角速度検出および多軸方向の加速度検出に適した角速度／加速度センサに関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor and an angular velocity sensor having an acceleration detection function, and more particularly to an angular velocity / acceleration sensor suitable for detecting angular velocity around multiple axes and detecting acceleration in multiple axes.
自動車産業や機械産業などでは、所定軸まわりの角速度や所定軸方向の加速度を正確に検出できる角速度センサや加速度センサの需要が高まってきている。一般に、三次元空間内において自由運動をする物体には、任意の向きの加速度とともに任意の回転方向の角速度が作用する。このため、この物体の運動を正確に把握するためには、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向に関する加速度とともに、各座標軸まわりの角速度を検出する必要がある。特に、ＸＹＺ三次元直交座標系内において、物体の三次元の動きを正確に捉えるためには、Ｘ軸まわりの角速度ωｘ，Ｙ軸まわりの角速度ωｙ，Ｚ軸まわりの角速度ωｚ，Ｘ軸方向の加速度αｘ，Ｙ軸方向の加速度αｙ，Ｚ軸方向の加速度αｚという合計６軸に関する角速度および加速度の成分を検出することが不可欠である。 In the automobile industry, the machine industry, and the like, there is an increasing demand for angular velocity sensors and acceleration sensors that can accurately detect angular velocity around a predetermined axis and acceleration in a predetermined axis direction. Generally, an angular velocity in an arbitrary rotational direction acts on an object that freely moves in a three-dimensional space together with an acceleration in an arbitrary direction. For this reason, in order to accurately grasp the motion of the object, it is necessary to detect the angular velocity around each coordinate axis along with the acceleration related to each coordinate axis direction in the XYZ three-dimensional coordinate system. In particular, in order to accurately capture the three-dimensional movement of an object in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the angular velocity ωx around the X axis, the angular velocity ωy around the Y axis, the angular velocity ωz around the Z axis, It is essential to detect angular velocity and acceleration components related to a total of six axes, ie, acceleration αx, acceleration αy in the Y-axis direction, and acceleration αz in the Z-axis direction.
このような需要に応えるため、本願発明者は、たとえば、下記の特許文献１〜６などに、いくつかの角速度センサおよび加速度センサを提案した。これらのセンサによれば三次元の各軸まわりの角速度や各軸方向の加速度を検出することができる。ここで、角速度については、ある物体にＸ軸まわりの角速度ωｘが作用している状態において、この物体をＺ軸方向に運動させると、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆｙが作用するという原理を利用した検出が行われ、加速度については、ある物体にＸ軸方向の加速度αｘが作用すると、同じくＸ軸方向に加速度に基づく力（ここでは、加速度力と呼ぶことにする）ｆｘが作用するという原理を利用した検出が行われている。
In order to meet such demand, the present inventor has proposed several angular velocity sensors and acceleration sensors in, for example, the following
三次元空間内で運動する物体についての角速度・加速度検出という需要は、益々高まるばかりであり、今後は特に、小型かつ低価格でありながら、誤差の少ない信頼性の高い検出が可能なセンサが望まれている。しかしながら、これまで実用化されてきた角速度センサあるいは加速度センサは、構造的にまだまだ複雑な部分が多く、信頼性を高めるためには、小型化や低価格化が困難であるという問題があった。 The demand for angular velocity / acceleration detection for objects moving in a three-dimensional space is only increasing, and in the future, there will be a demand for a sensor that is small and low in price but capable of highly reliable detection with few errors. It is rare. However, the angular velocity sensor or the acceleration sensor that has been put to practical use has many structurally complicated parts, and there is a problem that it is difficult to reduce the size and the price to improve the reliability.
そこで本発明は、小型かつ低価格でありながら、誤差の少ない信頼性の高い検出が可能な角速度センサおよび加速度検出機能をもった角速度センサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an angular velocity sensor and an angular velocity sensor having an acceleration detection function that are small in size and low in price and capable of highly reliable detection with little error.
(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系において定義されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの少なくとも１軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
三次元直交座標系の空間内で運動可能な第１の重錘体および第２の重錘体と、
この２つの重錘体を収容する装置筐体と、
第１の重錘体を、装置筐体に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する可撓性をもった第１の接続部材と、
第２の重錘体を、装置筐体に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する可撓性をもった第２の接続部材と、
第１の重錘体と第２の重錘体とを接続する可撓性をもった第３の接続部材と、
少なくとも所定の検出時において、第１の重錘体がＸ軸の正方向の速度成分をもって運動し、第２の重錘体がＸ軸の負方向の速度成分をもって運動するように、第１の重錘体および第２の重錘体を装置筐体内で運動させる駆動手段と、
検出時にＹ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対してＺ軸方向に作用する第１のＺ軸コリオリ力を検出する第１のコリオリ力検出手段と、
検出時にＹ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対してＺ軸方向に作用する第２のＺ軸コリオリ力を検出する第２のコリオリ力検出手段と、
第１のＺ軸コリオリ力と第２のＺ軸コリオリ力との差に基づいて、作用したＹ軸まわりの角速度を求める演算手段と、
を設け、少なくともＹ軸まわりの角速度を検出することができるようにし、
各重錘体上には、励振用導電路と検出用導電路とを形成し、
励振用導電路および検出用導電路が位置する空間に、これら両導電路に対して磁束が平行にはならないような磁界を発生させる磁界発生手段を設け、
駆動手段が、励振用導電路と磁界発生手段とを利用して構成され、励振用導電路に電流を供給することにより、この電流と磁界との相互作用に基づくローレンツ力によって各重錘体を運動させるようにし、
各コリオリ力検出手段が、検出用導電路と磁界発生手段とを利用して構成され、検出用導電路に発生する誘導起電力に基づいて各重錘体に作用するコリオリ力を検出し、
各重錘体は、ＸＹＺ三次元直交座標系のＸＹ平面内に上面が含まれる基板からなり、
各重錘体のそれぞれについて、上面の中央部に原点Ｏを定義した場合に、
Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差する第１の導電路と、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差する第２の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差する第３の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差する第４の導電路と、により励振用導電路が構成され、
Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差する第５の導電路と、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差する第６の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差する第７の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差する第８の導電路と、により検出用導電路が構成されているようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention is an angular velocity sensor that detects an angular velocity around at least one of the X, Y, and Z axes defined in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system.
A first weight body and a second weight body movable in a space of a three-dimensional orthogonal coordinate system;
A device housing for housing these two weight bodies;
A first connecting member having flexibility for connecting the first weight body to the apparatus housing so as to be movable with a predetermined degree of freedom;
A flexible second connecting member for connecting the second weight body to the apparatus housing so as to be movable with a predetermined degree of freedom;
A third connecting member having flexibility for connecting the first weight body and the second weight body;
At least at the predetermined detection time, the first weight body moves with a velocity component in the positive direction of the X axis, and the second weight body moves with a velocity component in the negative direction of the X axis. Driving means for moving the weight body and the second weight body in the apparatus housing;
A first Coriolis force detecting means for detecting a first Z-axis Coriolis force acting in the Z-axis direction on the first weight body when an angular velocity around the Y-axis is acting at the time of detection;
A second Coriolis force detection means for detecting a second Z-axis Coriolis force acting in the Z-axis direction on the second weight body when an angular velocity around the Y-axis is acting at the time of detection;
An arithmetic means for obtaining an angular velocity around the applied Y axis based on a difference between the first Z axis Coriolis force and the second Z axis Coriolis force;
So that at least the angular velocity around the Y axis can be detected ,
On each weight body, an excitation conductive path and a detection conductive path are formed,
In the space where the excitation conductive path and the detection conductive path are located, magnetic field generating means for generating a magnetic field so that the magnetic flux is not parallel to both the conductive paths is provided.
The driving means is configured using the excitation conductive path and the magnetic field generating means, and by supplying a current to the excitation conductive path, each weight body is moved by the Lorentz force based on the interaction between the current and the magnetic field. Try to exercise,
Each Coriolis force detection means is configured using a detection conductive path and a magnetic field generation means, detects Coriolis force acting on each weight body based on an induced electromotive force generated in the detection conductive path,
Each weight body is composed of a substrate whose upper surface is included in the XY plane of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system,
For each weight body, when the origin O is defined at the center of the upper surface,
A first conductive path extending along the X axis and intersecting the negative part of the Y axis, a second conductive path extending along the X axis and intersecting the positive part of the Y axis, and along the Y axis The third conductive path extending along the negative portion of the X axis and the fourth conductive path extending along the Y axis and intersecting the positive portion of the X axis constitute an excitation conductive path. ,
A fifth conductive path extending along the X axis and intersecting the negative part of the Y axis, a sixth conductive path extending along the X axis and intersecting the positive part of the Y axis, and along the Y axis And a seventh conductive path extending along the negative portion of the X-axis and an eighth conductive path extending along the Y-axis and intersecting the positive portion of the X-axis constitute a detection conductive path. It is what you have done.
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る角速度センサにおいて、
第１のコリオリ力検出手段が、所定の検出時にＺ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対してＹ軸方向に作用する第１のＹ軸コリオリ力を検出する機能を更に有し、
第２のコリオリ力検出手段が、この検出時にＺ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対してＹ軸方向に作用する第２のＹ軸コリオリ力を検出する機能を更に有し、
演算手段が、第１のＹ軸コリオリ力と第２のＹ軸コリオリ力との差に基づいて、作用したＺ軸まわりの角速度を求める機能を更に有し、
Ｙ軸まわりの角速度とともにＺ軸まわりの角速度を検出する機能をもつようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first aspect described above,
The first Coriolis force detecting means detects the first Y-axis Coriolis force acting in the Y-axis direction with respect to the first weight body when an angular velocity around the Z-axis is acting at a predetermined detection time. Has the function of
The second Coriolis force detecting means detects the second Y-axis Coriolis force acting in the Y-axis direction on the second weight body when the angular velocity around the Z-axis is acting at the time of detection. Has more functions,
The calculation means further has a function of obtaining an angular velocity around the applied Z axis based on a difference between the first Y axis Coriolis force and the second Y axis Coriolis force,
It has a function of detecting the angular velocity around the Z axis as well as the angular velocity around the Y axis.
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動手段が、第１の重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させる第１のＸ軸方向駆動手段と、第２の重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させる第２のＸ軸方向駆動手段と、を有し、第１の重錘体の往復運動と第２の重錘体の往復運動とが、周期が同一で位相が反転したものとなるようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first or second aspect described above,
The driving means reciprocates the first weight body along the X-axis direction, and the second X-axis movement means reciprocates the second weight body along the X-axis direction. And a reciprocating motion of the first weight body and a reciprocating motion of the second weight body with the same period and an inverted phase.
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１から第３の態様に係る角速度センサにおいて、
装置筐体内を、所定の境界面を境として右側領域と左側領域とに分けたときに、駆動手段による運動が行われていない状態において、
第１の重錘体と第２の重錘体とは、この境界面に関して互いに対称な構造をなし、
第１の接続部材と第２の接続部材とは、この境界面に関して互いに対称な構造をなし、
第３の接続部材は、右側領域から境界面を跨いで左側領域へと連なり、境界面に関して対称構造をなすようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to third aspects described above,
When the inside of the device casing is divided into a right side region and a left side region with a predetermined boundary surface as a boundary, in a state where the movement by the driving means is not performed,
The first weight body and the second weight body have a symmetrical structure with respect to this boundary surface,
The first connecting member and the second connecting member have a symmetrical structure with respect to the boundary surface,
The third connecting member extends from the right region to the left region across the boundary surface and has a symmetrical structure with respect to the boundary surface.
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る角速度センサにおいて、
第３の接続部材が、
駆動手段による運動が行われていない状態において境界面上に配置され、この境界面に関して対称構造をなす中間部材と、
中間部材と第１の重錘体とを接続する可撓性を有する橋梁構造体と、
中間部材と第２の重錘体とを接続する可撓性を有する橋梁構造体と、
を有するようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the fourth aspect described above,
The third connecting member is
An intermediate member that is disposed on the boundary surface in a state in which the movement by the driving means is not performed and has a symmetrical structure with respect to the boundary surface;
A flexible bridge structure connecting the intermediate member and the first weight body;
A flexible bridge structure connecting the intermediate member and the second weight body;
It is made to have.
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１から第５の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の重錘体および第２の重錘体を、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する板状構造体によって構成したものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to fifth aspects described above,
The first weight body and the second weight body are configured by a plate-like structure having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane.
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１から第６の態様に係る角速度センサにおいて、
検出時にＸ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して加速度に起因してＸ軸方向に作用する第１のＸ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＸ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して加速度に起因してＸ軸方向に作用する第２のＸ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、第１の加速度力と第２の加速度力との和に基づいて、作用したＸ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有するようにしたものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to sixth aspects described above,
A first acceleration force for detecting a first X-axis acceleration force acting in the X-axis direction on the first weight body due to the acceleration when acceleration in the X-axis direction is acting at the time of detection Detection means;
A second acceleration force for detecting a second X-axis acceleration force acting in the X-axis direction due to the acceleration on the second weight body when an acceleration in the X-axis direction is acting at the time of detection Detection means;
Further provided,
The calculation means further has a function of performing a calculation for obtaining an applied acceleration in the X-axis direction based on the sum of the first acceleration force and the second acceleration force.
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１から第７の態様に係る角速度センサにおいて、
検出時にＹ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して加速度に起因してＹ軸方向に作用する第１のＹ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＹ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して加速度に起因してＹ軸方向に作用する第２のＹ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、第１の加速度力と第２の加速度力との和に基づいて、作用したＹ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有するようにしたものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to seventh aspects described above,
A first acceleration force for detecting a first Y-axis acceleration force acting in the Y-axis direction due to the acceleration on the first weight body when an acceleration in the Y-axis direction is acting at the time of detection Detection means;
A second acceleration force for detecting a second Y-axis acceleration force acting in the Y-axis direction due to the acceleration on the second weight body when an acceleration in the Y-axis direction is acting at the time of detection Detection means;
Further provided,
The calculation means further has a function of performing a calculation for obtaining the applied acceleration in the Y-axis direction based on the sum of the first acceleration force and the second acceleration force.
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第１から第８の態様に係る角速度センサにおいて、
検出時にＺ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して加速度に起因してＺ軸方向に作用する第１のＺ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＺ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して加速度に起因してＺ軸方向に作用する第２のＺ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、第１の加速度力と第２の加速度力との和に基づいて、作用したＺ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有するようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to eighth aspects described above,
A first acceleration force for detecting a first Z-axis acceleration force acting in the Z-axis direction due to the acceleration on the first weight body when acceleration in the Z-axis direction is acting at the time of detection Detection means;
A second acceleration force for detecting a second Z-axis acceleration force acting in the Z-axis direction due to the acceleration on the second weight body when acceleration in the Z-axis direction is acting at the time of detection Detection means;
Further provided,
The calculation means further has a function of performing a calculation for obtaining the applied acceleration in the Z-axis direction based on the sum of the first acceleration force and the second acceleration force.
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第７から第９の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の重錘体について所定軸の方向に作用した力を検出する第１の力検出手段を、この所定軸を検出軸とする第１のコリオリ力検出手段および第１の加速度力検出手段として兼用し、
第２の重錘体について所定軸の方向に作用した力を検出する第２の力検出手段を、この所定軸を検出軸とする第２のコリオリ力検出手段および第２の加速度力検出手段として兼用し、
第１の力検出手段による力の検出値と第２の力検出手段による力の検出値との差に基づいて角速度を求め、
第１の力検出手段による力の検出値と第２の力検出手段による力の検出値との和に基づいて加速度を求めるようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the seventh to ninth aspects described above,
The first force detection means for detecting the force acting on the first weight body in the direction of the predetermined axis is used as the first Coriolis force detection means and the first acceleration force detection means using the predetermined axis as the detection axis. Combined use
The second force detection means for detecting the force acting on the second weight body in the direction of the predetermined axis is used as second Coriolis force detection means and second acceleration force detection means using the predetermined axis as the detection axis. Combined use
An angular velocity is obtained based on the difference between the force detection value by the first force detection means and the force detection value by the second force detection means,
The acceleration is obtained based on the sum of the detected force value by the first force detecting means and the detected force value by the second force detecting means.
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の重錘体および第２の重錘体の運動周波数を、検出対象となる加速度の周波数に比べて十分に高く設定し、前者を高周波数、後者を低周波数とする識別が可能になるようにし、
第１の力検出手段による力の検出値の高周波数の成分と第２の力検出手段による力の検出値の高周波数の成分との差に基づいて角速度を求め、
第１の力検出手段による力の検出値の低周波数の成分と第２の力検出手段による力の検出値の低周波数の成分との和に基づいて加速度を求めるようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is the angular velocity sensor according to the tenth aspect described above,
The motion frequency of the first weight body and the second weight body is set sufficiently higher than the acceleration frequency to be detected, and the former can be identified as a high frequency and the latter as a low frequency. And
An angular velocity is obtained based on the difference between the high frequency component of the force detection value by the first force detection means and the high frequency component of the force detection value by the second force detection means,
The acceleration is obtained based on the sum of the low frequency component of the force detection value by the first force detection means and the low frequency component of the force detection value by the second force detection means.
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第１〜第１１の態様に係る角速度センサにおいて、
互いに所定間隔をおいてほぼ平行に配置された２枚の空間構成用基板と、この２枚の空間構成用基板の外周部を互いに接続する側壁部と、によって密閉された検出動作空間を構成し、
この検出動作空間内に２つの重錘体を収容し、この重錘体が検出動作空間内で所定の自由度をもって運動可能となるように、重錘体と空間構成用基板とを直接または間接的に接続部材によって接続するようにしたものである。
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the angular velocity sensor according to the first to eleventh aspects described above,
A closed detection operation space is constituted by two space-constituting substrates arranged substantially in parallel with each other at a predetermined interval and a side wall portion connecting the outer peripheral portions of the two space-constituting substrates to each other. ,
Two weight bodies are accommodated in the detection operation space, and the weight body and the space configuration board are directly or indirectly connected so that the weight body can move with a predetermined degree of freedom in the detection operation space. The connection member is used for connection.
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係る角速度センサにおいて、
検出対象となる範囲を越えた過度に大きな角速度または加速度が作用した場合に、重錘体がいずれか一方の空間構成用基板に接触してその運動が妨げられるように、重錘体と各空間構成用基板との間隔を設定し、各空間構成用基板を重錘体の運動を制御する制御部材として利用できるようにしたものである。
(13) A thirteenth aspect of the present invention is the angular velocity sensor according to the twelfth aspect described above,
When an excessively large angular velocity or acceleration is applied that exceeds the detection target range, the weight body and each space are prevented so that the weight body touches one of the space configuration substrates and the movement is hindered. The space between the configuration substrates is set, and each space configuration substrate can be used as a control member for controlling the movement of the weight body.
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１２または第１３の態様に係る角速度センサにおいて、
一方の空間構成用基板に配線用開口窓を形成し、検出動作空間内に、この配線用開口窓を塞ぐように導電性の配線部材を設け、
検出動作空間の内部においては、重錘体を運動させるための駆動手段と、重錘体に作用したコリオリ力または加速度力を検出する力検出手段と、を配線部材に電気的に接続し、
検出動作空間の外部においては、配線用開口窓を通して、配線部材と外部配線とを電気的に接続するようにし、
検出動作空間の密閉状態を維持したまま電気的な配線が行われるようにしたものである。
(14) A fourteenth aspect of the present invention is the angular velocity sensor according to the twelfth or thirteenth aspect described above,
An opening window for wiring is formed on one space configuration substrate , and a conductive wiring member is provided in the detection operation space so as to close the opening window for wiring.
Inside the detection operation space, a driving means for moving the weight body and a force detection means for detecting Coriolis force or acceleration force acting on the weight body are electrically connected to the wiring member,
Outside the detection operation space, the wiring member and the external wiring are electrically connected through the opening window for wiring,
The electrical wiring is performed while maintaining the sealed state of the detection operation space.
本発明に係る角速度センサによれば、装置筐体内に２つの重錘体を収容して逆方向の運動をさせ、両者を可撓性をもった接続部材で接続し、一対の重錘体を用いた測定における差により角速度を検出し、和により加速度を検出するようにしたため、小型かつ低価格でありながら、誤差の少ない信頼性の高い検出が可能な角速度センサおよび加速度検出機能をもった角速度センサを提供することが可能になる。 According to the angular velocity sensor of the present invention, two weight bodies are accommodated in the apparatus housing and moved in the opposite directions, and both are connected by a flexible connecting member. The angular velocity is detected by the difference in the measurement used, and the acceleration is detected by the sum. Therefore, the angular velocity sensor has a small size and low price, and is capable of highly reliable detection with little error, and an angular velocity with an acceleration detection function. It becomes possible to provide a sensor.
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
§１． 重錘体を往復運動させる実施形態 §1. Embodiment in which weight body is reciprocated
＜＜＜ １．１ センサの物理的な基本構成 ＞＞＞
はじめに、本発明の一実施形態に係る角速度センサの基本構成を図１の斜視図を参照しながら説明する。図示のように、この角速度センサは、第１の重錘体１０Ａと第２の重錘体１０Ｂとを有しており、第１の重錘体１０Ａを用いた第１の検出系と第２の重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系とが用意されている。両重錘体１０Ａ，１０Ｂは、いずれも接続部材２０によって装置筐体３０に接続されている。このとき、接続部材２０は、第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂのそれぞれを、装置筐体３０に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する機能を有する。装置筐体３０は、図１では、単なる接続部材２０の支持点として描かれているが、実際には、接続部材２０を介して各重錘体１０Ａ，１０Ｂを支持する機能を果たすとともに、各重錘体１０Ａ，１０Ｂを収容する容器としても機能する。したがって、各重錘体１０Ａ，１０Ｂは、装置筐体３０の内部に、所定の自由度をもって運動可能となるように収容されることになり、振動子として機能することができる。
<<<< 1.1 Physical Basic Configuration of Sensor >>>>
First, a basic configuration of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to a perspective view of FIG. As shown in the figure, this angular velocity sensor has a
ここでは、説明の便宜上、図示されているＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸をもったＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、この座標系におけるこの角速度センサの動作原理を説明することにする。上述したように、各重錘体１０Ａ，１０Ｂは、装置筐体３０内において、所定の自由度をもって運動可能となるように、接続部材２０によって支持されていることになる。より具体的に説明すれば、各重錘体１０Ａ，１０Ｂは、この直交座標系内におけるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各座標軸方向に所定の範囲内で移動可能となるように、接続部材２０によって支持されている。図１では、接続部材２０をいわゆるコイル状のばねとして描いてあるが、本発明を実施する上での接続部材２０は、必ずしもコイル状のばねによって構成する必要はなく、後述するような板ばね状の橋梁構造などの弾力性あるいは可撓性をもった構造体によって接続部材２０を形成してもよい。また、図１の例では、第１の重錘体１０Ａと第２の重錘体１０Ｂとを接続するための接続部材２５が形成されているが、このように両重錘体間を直接接続する接続部材は必ずしも必要ではない。更に、図１の例では、接続部材２５上の１点Ｊは装置筐体３０には接続されていないが、この１点Ｊを装置筐体３０に直接接続して固定するようにしてもかまわない。要するに、本発明における接続部材２０は、各重錘体１０Ａ，１０Ｂが、それぞれ独立してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各座標軸方向に、検出に必要な所定の範囲内で移動可能となるのであれば、どのような構造で実現してもかまわない。
Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system having the X axis, Y axis, and Z axis shown in the figure is defined, and the operating principle of this angular velocity sensor in this coordinate system will be described. As described above, each of the
本発明を実施する上で、各重錘体１０Ａ，１０Ｂの形状は特に限定されるものではないが、実用上は、図１に示すような基板状の重錘体を用いるのが好ましい。ここでは、ＸＹＺ三次元直交座標系のＸＹ平面に平行な上面および下面を有する同一サイズ、同一質量の基板を、第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂとして用いた例を述べることにする。両重錘体は必ずしも同一サイズ、同一質量にする必要はないが、演算を容易にするためには、同一サイズ、同一質量にするのが好ましい。また、ここでは、第１の重錘体１０Ａと第２の重錘体１０Ｂとを、Ｘ軸方向に並べて配置した例を述べることにする。
In practicing the present invention, the shape of each of the
＜＜＜ １．２ 角速度検出の基本原理 ＞＞＞
本発明に係る角速度センサの特徴は、第１の重錘体１０Ａを用いた第１の検出系と、第２の重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系と、の２つの検出系を用いて、それぞれ重錘体に作用するコリオリ力を検出する点にある。後述するように、第１の重錘体１０Ａと第２の重錘体１０Ｂとを、互いに逆方向の速度成分をもつように運動させると、両重錘体に作用するコリオリ力は逆向きになるため、この両コリオリ力の差分として角速度の検出が可能になる。このような差分検出は、種々の要素に基づく誤差成分を取り除いた正確な検出値を得る上で効果的である。以下、この差分検出の原理を説明する。
<<< 1.2 Basic Principle of Angular Velocity Detection >>>
The angular velocity sensor according to the present invention is characterized by two detection systems, a first detection system using the
いま、第１の重錘体１０Ａに対して、図に矢印で示されているようなＸ軸方向の振動Ｕｘ（Ａ）を与え、同時に、第２の重錘体１０Ｂに対して、図に矢印で示されているようなＸ軸方向の振動Ｕｘ（Ｂ）を与えた場合を考える。別言すれば、第１の重錘体１０Ａも第２の重錘体１０Ｂも、Ｘ軸方向に沿って往復運動していることになる。ここで、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）と、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）とが、いずれもＸ軸上に位置していたとすると、これら重心の変位は図２に示すようなものになる。すなわち、振動Ｕｘ（Ａ）によって、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）は、位置Ｘ０（Ａ）を中心として、Ｘ軸正方向へはＸ＋（Ａ）の位置まで移動し、Ｘ軸負方向へはＸ−（Ａ）の位置まで移動することになる。同様に、振動Ｕｘ（Ｂ）によって、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）は、位置Ｘ０（Ｂ）を中心として、Ｘ軸正方向へはＸ＋（Ｂ）の位置まで移動し、Ｘ軸負方向へはＸ−（Ｂ）の位置まで移動することになる。
Now, a vibration Ux (A) in the X-axis direction as indicated by an arrow in the figure is given to the
さて、重錘体１０Ａ，１０ＢがこのようにＸ軸方向に往復運動しているときに、この系全体（別言すれば、装置筐体３０全体）に対して、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用すると、Ｚ軸方向にコリオリ力Ｆｚが作用することになる。このコリオリ力Ｆｚの向きは、重錘体１０Ａ，１０Ｂの移動方向に応じて反転する。たとえば、作用しているＹ軸まわりの角速度ωｙが一定であったとしても、重錘体がＸ軸正方向へ移動しているときに、Ｚ軸正方向へのコリオリ力が作用したとすれば、重錘体がＸ軸負方向へ移動しているときには、Ｚ軸負方向へのコリオリ力が作用することになる。もちろん、これとは逆に、重錘体がＸ軸正方向へ移動しているときに、Ｚ軸負方向へのコリオリ力が作用し、重錘体がＸ軸負方向へ移動しているときには、Ｚ軸正方向へのコリオリ力が作用する場合もある。いずれの現象が起こるかは、作用したＹ軸まわりの角速度ωｙの回転方向（右まわりか左まわりか）に依存することになる。
Now, when the
図３(a) は、第１の重錘体１０ＡのＸ軸方向に関する往復運動（振動Ｕｘ（Ａ））によるＸ軸方向の速度Ｖｘ（Ａ）の時間変化を示すグラフであり、同図(b) は、第１の重錘体１０Ａがこのような運動を行っているときに、系全体に対してＹ軸まわりの角速度＋ωｙが作用した場合に、この角速度＋ωｙに起因して生じるＺ軸方向へのコリオリ力Ｆｚ（以下、Ｚ軸コリオリ力という）の時間変化を示すグラフであり、同図(c) は、第１の重錘体１０Ａがこのような運動を行っているときに、系全体に対してＹ軸まわりの角速度−ωｙ（角速度＋ωｙに対して逆まわりの角速度）が作用した場合に、この角速度−ωｙに起因して生じるＺ軸コリオリ力Ｆｚの時間変化を示すグラフである。これらの各グラフの横軸は、同図(d) に示す共通の時間軸に対応したものとなっている。
FIG. 3 (a) is a graph showing the time change of the velocity Vx (A) in the X-axis direction due to the reciprocating motion (vibration Ux (A)) of the
まず、第１の重錘体１０ＡのＸ軸方向の速度Ｖｘ（Ａ）の変化は、図３(a) に示すように、時刻ｔ＝ｔ０〜ｔ４を一周期とする正弦波グラフとなる。時刻ｔ＝ｔ０において、重心Ｇ（Ａ）は、Ｘ軸上の最も負側の位置Ｘ−（Ａ）にあり、このときの速度は０である。続く時刻ｔ＝ｔ１には、重心Ｇ（Ａ）は、中心位置Ｘ０（Ａ）を矢印ｒ１１で示される正の最大速度（ここでは、Ｖｘ（Ａｔ１）と表すことにする）で通過し、時刻ｔ＝ｔ２において、Ｘ軸上の最も正側の位置Ｘ＋（Ａ）に到達する。このときの速度は０である。そして、時刻ｔ＝ｔ３には、重心Ｇ（Ａ）は、中心位置Ｘ０（Ａ）を矢印ｒ１２で示される負の最大速度（ここでは、Ｖｘ（Ａｔ３）と表すことにする）で通過し、時刻ｔ＝ｔ４において、Ｘ軸上の最も負側の位置Ｘ−（Ａ）に到達する。これは、時刻ｔ０のときの状態と同じである。
First, the change in the velocity Vx (A) in the X-axis direction of the
第１の重錘体１０Ａがこのような往復運動を行っているときに、系全体にＹ軸まわりの各速度＋ωｙが作用すると、図３(b) に示すように、図３(a) のグラフと同位相の正弦波グラフで示されるようなＺ軸コリオリ力Ｆｚ（Ａ：＋ωｙ）が生じることになる。すなわち、Ｚ軸コリオリ力Ｆｚ（Ａ：＋ωｙ）の絶対値および極性は、速度Ｖｘ（Ａ）の絶対値および極性に応じて決まり、時刻ｔ＝ｔ１において矢印ｒ１３で示される正の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ａｔ１）と表すことにする）をとり、時刻ｔ＝ｔ３において矢印ｒ１４で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ａｔ３）と表すことにする）をとることになる。一方、角速度＋ωｙとは逆まわりの角速度−ωｙが作用していた場合には、図３(c) に示すように、図３(b) のグラフとは逆位相の正弦波グラフで示されるようなＺ軸コリオリ力Ｆｚ（Ａ：−ωｙ）が生じることになる。やはり、Ｚ軸コリオリ力Ｆｚ（Ａ：−ωｙ）の絶対値および極性は、速度Ｖｘ（Ａ）の絶対値および極性に応じて決まり、時刻ｔ＝ｔ１において矢印ｒ１５で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ａｔ１）と表すことにする）をとり、時刻ｔ＝ｔ３において矢印ｒ１６で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ａｔ３）と表すことにする）をとることになる。
When the
結局、第１の重錘体１０ＡをＸ軸方向に往復運動させた状態において、Ｙ軸まわりの角速度＋ωｙまたは−ωｙが作用した場合、これに起因して生じるＺ軸コリオリ力Ｆｚを検出すれば、作用した角速度＋ωｙまたは−ωｙを求めることができる。たとえば、時刻ｔ１またはｔ３を検出時と定義し、この検出時におけるＺ軸コリオリ力Ｆｚの大きさおよび極性を検出することができれば、作用した角速度ωｙの大きさおよび極性（＋ωｙか、−ωｙか、別言すれば、右まわりか、左まわりか）を求めることができる。このような角速度検出原理は、既に前掲の先願において開示されている。
Eventually, in the state where the
本発明の特徴は、第１の重錘体１０Ａとともに、第２の重錘体１０Ｂを設け、両重錘体の運動の位相を逆転させるようにした点にある。図４(a) は、第２の重錘体１０ＢのＸ軸方向に関する往復運動（振動Ｕｘ（Ｂ））によるＸ軸方向の速度Ｖｘ（Ｂ）の時間変化を示すグラフであり、同図(b) は、第２の重錘体１０Ｂがこのような運動を行っているときに、系全体に対してＹ軸まわりの角速度＋ωｙが作用した場合に、この角速度＋ωｙに起因して生じるＺ軸コリオリ力の時間変化を示すグラフであり、同図(c) は、第２の重錘体１０Ｂがこのような運動を行っているときに、系全体に対してＹ軸まわりの角速度−ωｙ（角速度＋ωｙに対して逆まわりの角速度）が作用した場合に、この角速度−ωｙに起因して生じるＺ軸コリオリ力Ｆｚの時間変化を示すグラフである。これらの各グラフの横軸は、同図(d) に示す共通の時間軸に対応したものとなっている。
A feature of the present invention resides in that a
まず、第２の重錘体１０ＢのＸ軸方向の速度Ｖｘ（Ｂ）の変化は、図４(a) に示すように、時刻ｔ＝ｔ０〜ｔ４を一周期とする正弦波グラフとなる。ここで留意すべき点は、図４(a) に示すグラフは、図３(a) に示すグラフに対して、位相が逆転している点である。すなわち、図４(a) のグラフでは、時刻ｔ＝ｔ０において、重心Ｇ（Ｂ）は、Ｘ軸上の最も正側の位置Ｘ＋（Ｂ）にあり、このときの速度は０である。続く時刻ｔ＝ｔ１には、重心Ｇ（Ｂ）は、中心位置Ｘ０（Ｂ）を矢印ｒ２１で示される負の最大速度（ここでは、Ｖｘ（Ｂｔ１）と表すことにする）で通過し、時刻ｔ＝ｔ２において、Ｘ軸上の最も負側の位置Ｘ−（Ｂ）に到達する。このときの速度は０である。そして、時刻ｔ＝ｔ３には、重心Ｇ（Ｂ）は、中心位置Ｘ０（Ｂ）を矢印ｒ２２で示される正の最大速度（ここでは、Ｖｘ（Ｂｔ３）と表すことにする）で通過し、時刻ｔ＝ｔ４において、Ｘ軸上の最も正側の位置Ｘ＋（Ｂ）に到達する。これは、時刻ｔ０のときの状態と同じである。
First, the change in the velocity Vx (B) in the X-axis direction of the
第２の重錘体１０Ｂがこのような往復運動を行っているときに、系全体にＹ軸まわりの各速度＋ωｙが作用すると、図４(b) に示すように、図４(a) のグラフと同位相の正弦波グラフで示されるようなＺ軸コリオリ力Ｆｚ（Ｂ：＋ωｙ）が生じることになる。すなわち、Ｚ軸コリオリ力Ｆｚ（Ｂ：＋ωｙ）の絶対値および極性は、速度Ｖｘ（Ｂ）の絶対値および極性に応じて決まり、時刻ｔ＝ｔ１において矢印ｒ２３で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ｂｔ１）と表すことにする）をとり、時刻ｔ＝ｔ３において矢印ｒ２４で示される正の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ｂｔ３）と表すことにする）をとることになる。一方、角速度＋ωｙとは逆まわりの角速度−ωｙが作用していた場合には、図４(c) に示すように、図４(b) のグラフとは逆位相の正弦波グラフで示されるようなＺ軸コリオリ力Ｆｚ（Ｂ：−ωｙ）が生じることになる。やはり、Ｚ軸コリオリ力Ｆｚ（Ｂ：−ωｙ）の絶対値および極性は、速度Ｖｘ（Ｂ）の絶対値および極性に応じて決まり、時刻ｔ＝ｔ１において矢印ｒ２５で示される正の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ｂｔ１）と表すことにする）をとり、時刻ｔ＝ｔ３において矢印ｒ２６で示される負の最大値（ここでは、Ｆｚ（Ｂｔ３）と表すことにする）をとることになる。
When each speed + ωy around the Y-axis acts on the entire system when the
さて、第１の重錘体１０Ａに対して作用したＺ軸コリオリ力を第１のＺ軸コリオリ力と呼び、第２の重錘体１０Ｂに対して作用したＺ軸コリオリ力を第２のＺ軸コリオリ力と呼ぶことにすれば、これら個々のＺ軸コリオリ力は、いずれもこの角速度センサに作用したＹ軸まわりの角速度ωｙを示すものになるが、第１のＺ軸コリオリ力と第２のＺ軸コリオリ力との差を求めれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙのより正確な検出値を得ることが可能になる。その理由は、たとえば、図３(b) に示すグラフ（第１の重錘体１０Ａに関するグラフ）と図４(b) に示すグラフ（第２の重錘体１０Ｂに関するグラフ）との差を求める演算結果を考えれば理解できよう。両グラフの値は、どの時点においても、常に極性が反転したものとなっているため、両者の和は理論的には０になってしまうが、両者の差をとれば、両グラフの特性を倍にした結果が得られることになる。しかも、差分演算を行うことにより、両グラフに共通して含まれていた誤差成分（たとえば、後述するような加速度成分や、温度や湿度などによる誤差成分など）が除去されることになるので、より正確な信頼性の高い検出結果を得ることができるようになる。これが、本発明に係る角速度センサにおける角速度検出の基本原理である。
Now, the Z-axis Coriolis force acting on the
なお、第１の重錘体１０Ａの質量と第２の重錘体１０Ｂの質量とが同一ではない場合には、両グラフの振幅は等しくならない。このような場合は、質量比に基づいた補正を行う必要がある。このような補正演算を省略するために、両重錘体の質量は等しくしておくのが好ましい。また、後述する具体的な検出動作を行う上では、両重錘体の形状やサイズも等しくしておくのが好ましい。
When the mass of the
＜＜＜ １．３ 個々の角速度および加速度の検出原理 ＞＞＞
これまで、図１に示す角速度センサについて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを検出する原理を述べた。その要点は、まず、第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂを、Ｘ軸方向に沿って往復運動させることである。このとき、両往復運動は、その周期は同一であるが、位相が反転したものとなるようにする。より広い概念でとらえれば、これら一対の重錘体の運動は、少なくとも所定の検出時において、第１の重錘体１０ＡがＸ軸の正方向の速度成分をもって運動し、第２の重錘体１０ＢがＸ軸の負方向の速度成分をもって運動していれば、必ずしも互いに位相が反転した往復運動である必要はない。ただ、実用上は、互いに位相が反転した往復運動をさせるのが最も簡単である。このように、一対の重錘体がＸ軸方向に運動している状態で、Ｙ軸まわりの角速度ωｙが作用すると、各重錘体にはＺ軸方向にコリオリ力が作用するので、このＺ軸コリオリ力を検出する。このとき、両重錘体の移動方向は逆向きなので、両重錘体に作用するＺ軸コリオリ力の向きも逆向きになる（向きを示す正負の符号が逆になる）。そこで、検出した両Ｚ軸コリオリ力の差（符号を考慮した差）を求めれば、この差が、作用したＹ軸まわりの角速度ωｙを示す値となる。より具体的には、差の絶対値が角速度ωｙの絶対値を示し、差の符号が角速度ωｙの向きを示すことになる。たとえば、図３および図４に示す時刻ｔ１における検出結果では、第１の重錘体１０Ａに作用したＺ軸コリオリ力から第２の重錘体１０Ｂに作用したＺ軸コリオリ力を引くことにより得られた差の符号が正ならば、角速度＋ωｙが作用したことになり、逆にこの差の符号が負ならば、角速度−ωｙが作用したことになる。
<<< 1.3 Detection Principle of Individual Angular Velocity and Acceleration >>>
So far, the principle of detecting the angular velocity ωy around the Y axis has been described for the angular velocity sensor shown in FIG. The main point is to first reciprocate the
以上は、Ｙ軸まわりの角速度ωｙの検出原理であるが、図１に示す角速度センサでは、全く同様にして、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを検出することも可能である。すなわち、両重錘体がＸ軸方向に往復運動している状態において、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが作用すると、両重錘体には、Ｙ軸方向のコリオリ力（以下、Ｙ軸コリオリ力と呼ぶ）が作用することになる。この場合、やはり両重錘体の移動方向は逆向きなので、両重錘体に作用するＹ軸コリオリ力の向きも逆向きになる。そこで、検出した両Ｙ軸コリオリ力の差を求めれば、この差が、作用したＺ軸まわりの角速度ωｚを示す値となる。より具体的には、差の絶対値が角速度ωｚの絶対値を示し、差の符号が角速度ωｚの向きを示すことになる。 The above is the principle of detecting the angular velocity ωy around the Y axis, but the angular velocity sensor shown in FIG. 1 can also detect the angular velocity ωz around the Z axis in exactly the same manner. That is, when an angular velocity ωz about the Z-axis acts in a state where both weights are reciprocating in the X-axis direction, the Coriolis force in the Y-axis direction (hereinafter referred to as Y-axis Coriolis force) is applied to both weights. Call). In this case, since the moving directions of both weights are opposite, the direction of the Y-axis Coriolis force acting on both weights is also reversed. Therefore, if the difference between both detected Y-axis Coriolis forces is obtained, this difference becomes a value indicating the angular velocity ωz around the applied Z-axis. More specifically, the absolute value of the difference indicates the absolute value of the angular velocity ωz, and the sign of the difference indicates the direction of the angular velocity ωz.
結局、両重錘体をＸ軸方向に往復運動させた状態において、各重錘体に作用するＺ軸コリオリ力およびＹ軸コリオリ力を検出すれば、Ｙ軸まわりの角速度ωｙとＺ軸まわりの角速度ωｚとの双方を求めることが可能である。なお、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは、両重錘体をＸ軸方向に往復運動させる実施形態では求めることができない。この角速度ωｘの検出方法については、後に別な実施形態で説明する。 Eventually, when the Z-axis Coriolis force and Y-axis Coriolis force acting on each weight body are detected in a state where both weight bodies are reciprocated in the X-axis direction, the angular velocity ωy about the Y-axis and the Z-axis Coriolis force about the Z-axis are detected. Both the angular velocity ωz can be obtained. Note that the angular velocity ωx around the X axis cannot be obtained in the embodiment in which both weights are reciprocated in the X axis direction. A method for detecting the angular velocity ωx will be described later in another embodiment.
一方、図１に示す角速度センサでは、Ｘ軸方向の加速度αｘ、Ｙ軸方向の加速度αｙ、Ｚ軸方向の加速度αｚを検出することも可能である。すなわち、ニュートンの法則により、質量ｍを有する物体に加速度αが作用すると、この加速度αと同じ方向に加速度に起因した力ｆ（ここでは、加速度力ｆと呼ぶことにする）が作用し、この加速度力ｆは、ｆ＝ｍαで求められる。したがって、重錘体に作用する加速度力ｆを検出することができれば、重錘体に作用した加速度αを求めることができる。よって、図１の角速度センサでは、各重錘体に作用するＸ軸方向の加速度力ｆｘ、Ｙ軸方向の加速度力ｆｙ、Ｚ軸方向の加速度力ｆｚを検出すれば、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを求めることができる。 On the other hand, the angular velocity sensor shown in FIG. 1 can also detect the acceleration αx in the X-axis direction, the acceleration αy in the Y-axis direction, and the acceleration αz in the Z-axis direction. That is, according to Newton's law, when acceleration α acts on an object having mass m, a force f (hereinafter referred to as acceleration force f) due to acceleration acts in the same direction as this acceleration α. The acceleration force f is obtained by f = mα. Therefore, if the acceleration force f acting on the weight body can be detected, the acceleration α acting on the weight body can be obtained. Therefore, in the angular velocity sensor of FIG. 1, if the acceleration force fx in the X-axis direction acting on each weight body, the acceleration force fy in the Y-axis direction, and the acceleration force fz in the Z-axis direction are detected, the acceleration αx in each axis direction is detected. , Αy, αz can be obtained.
ここで留意すべき点は、コリオリ力の向きは重錘体の運動方向によって左右されるのに対し、加速度力の向きは重錘体の運動方向とは無関係であるという点である。たとえば、この系全体に対して、Ｘ軸正方向の加速度＋αｘが作用していた場合、各重錘体がどのような方向に運動していようとも、重錘体には常にＸ軸正方向の加速度力＋ｆｘが加わることになる。すなわち、第１の重錘体１０Ａに加わる加速度力と第２の重錘体１０Ｂに加わる加速度力とは、両者の運動が逆向きであっても、理論的には常に同じ向き、同じ大きさとなる。したがって、両重錘体に作用した加速度力の和を求めれば、両重錘体に作用した平均的な加速度を求めることができる。
It should be noted that the direction of the Coriolis force depends on the movement direction of the weight body, whereas the direction of the acceleration force is independent of the movement direction of the weight body. For example, if acceleration in the positive X-axis direction + αx acts on the entire system, the weight body always has the positive X-axis direction regardless of the direction in which each weight moves. The acceleration force + fx is applied. That is, the acceleration force applied to the
このように、重錘体に作用するコリオリ力に基づいて角速度を求めることができ、重錘体に作用する加速度力に基づいて加速度を求めることができるが、物理的な力としてみれば、コリオリ力と加速度力とに区別はない。これまで、重錘体に作用する力を検出するための具体的な手法については触れていないが、本実施形態では、後述するように、重錘体に生じた変位に基づいて作用した力を検出する方法を採っている。たとえば、図２に示すように、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）がＸ軸上で振動Ｕｘ（Ａ）に相当する運動を行っている状態において、Ｙ軸の正または負方向への力が作用すれば、重心Ｇ（Ａ）の位置はＹ軸の正または負方向へ変位することになり、振動Ｕｘ（Ａ）の軌道はＹ軸の正または負方向へずれることになる。このずれ量を検出すれば、作用したＹ軸方向の力を求めることができる。同様に、Ｚ軸方向の力については、Ｚ軸方向のずれ量を検出することにより求めることができ、Ｘ軸方向の力については、Ｘ軸方向のずれ量（この場合、振動Ｕｘ（Ａ）全体がＸ軸方向に移動することになり、たとえば、振動の中心位置Ｘ０（Ａ）が変位することになる）を検出することにより求めることができる。
As described above, the angular velocity can be obtained based on the Coriolis force acting on the weight body, and the acceleration can be obtained based on the acceleration force acting on the weight body. There is no distinction between force and acceleration force. So far, a specific method for detecting the force acting on the weight body has not been described, but in the present embodiment, as will be described later, the force acting based on the displacement generated on the weight body is calculated. The method to detect is taken. For example, as shown in FIG. 2, in the state where the center of gravity G (A) of the
各重錘体１０Ａ，１０Ｂを、接続部材２０によって、各座標軸方向に所定の自由度をもって運動可能なように支持しているのは、このように各軸方向の変位に基づいて、各軸方向に作用した力を検出することができるようにするためである。ただ、このようにして検出される力は、コリオリ力Ｆと加速度力ｆとの合成力であり、検出された力の絶対値からは、コリオリ力Ｆの割合や加速度力ｆの割合を知る手掛かりはない。上述したように、本発明では、コリオリ力Ｆに基づいて角速度を求め、加速度力ｆに基づいて加速度を求める必要があるため、コリオリ力Ｆと加速度力ｆとを区別して取り扱わねばならない。ところが、幸いにして、両者を区別した取り扱いが可能になる。以下、その理由を述べる。
The
まず、第１の理由は、周波数成分に基づいて両者を区別することが可能になるためである。一般に、重錘体の運動周波数は、たとえば、数ｋＨｚ程度の高い周波数に維持することが可能であるのに対し、検出対象となる加速度の周波数は、たかだか数Ｈｚ程度の低い周波数で十分である。たとえば、本発明に係る角速度センサを自動車や航空機などに搭載した場合、自動車の走行や航空機の航行によって生じる加速度は、たかだか数Ｈｚ程度の低い周波数成分だけ検出できれば十分である。もちろん、工作機械の振動検出などの用途に利用する場合は、検出対象となる加速度の周波数はより高くなるが、この場合でも、重錘体の運動周波数を更に高く設定することにより、重錘体の運動周波数と検出対象となる加速度の周波数とを区別することは可能である。 First, the first reason is that it becomes possible to distinguish the two based on the frequency component. In general, the motion frequency of the weight body can be maintained at a high frequency of, for example, several kHz, while the acceleration frequency to be detected is a frequency as low as several Hz at most. . For example, when the angular velocity sensor according to the present invention is mounted on an automobile, an aircraft, or the like, it is sufficient that the acceleration generated by the traveling of the automobile or the navigation of the airplane can be detected only by a low frequency component of about several Hz. Of course, when used for applications such as machine tool vibration detection, the acceleration frequency to be detected becomes higher, but even in this case, by setting the motion frequency of the weight body higher, the weight body It is possible to distinguish between the motion frequency and the acceleration frequency to be detected.
ところで、コリオリ力Ｆは、図３(b) ，(c) あるいは図４(b) ，(c) のグラフにも示されているように、重錘体の運動周波数と同じ周波数をもって変化する量になる。これに対して、加速度力ｆは、重錘体の運動周波数とは無関係の量である。したがって、上述したように、重錘体の運動周波数を、検出対象となる加速度の周波数に比べて十分に高く設定し、前者を高周波数、後者を低周波数とする識別が可能になるようにしておけば、得られた力の検出値のうち、高周波成分をコリオリ力Ｆとして取り扱い、低周波成分を加速度力ｆとして取り扱うことが可能になる。具体的には、力の検出信号を周波数フィルタで弁別すれば、コリオリ力Ｆに関する信号と加速度力ｆに関する信号とを分離することが可能になる。これが第１の理由である。 By the way, the Coriolis force F changes with the same frequency as the motion frequency of the weight body, as shown in the graphs of FIGS. 3 (b) and 3 (c) or FIGS. 4 (b) and 4 (c). become. On the other hand, the acceleration force f is an amount unrelated to the motion frequency of the weight body. Therefore, as described above, the motion frequency of the weight body is set sufficiently higher than the acceleration frequency to be detected so that the former can be identified as a high frequency and the latter as a low frequency. In this case, it is possible to handle the high frequency component as the Coriolis force F and the low frequency component as the acceleration force f in the obtained force detection value. Specifically, if a force detection signal is discriminated by a frequency filter, a signal related to the Coriolis force F and a signal related to the acceleration force f can be separated. This is the first reason.
第２の理由は、角速度を求める際には、第１の重錘体１０Ａに作用したコリオリ力Ｆと第２の重錘体１０Ｂに作用したコリオリ力Ｆとの差を求める演算が行われるのに対し、加速度を求める際には、第１の重錘体１０Ａに作用した加速度力ｆと第２の重錘体１０Ｂに作用した加速度力ｆとの和を求める演算が行われるためである。たとえば、図３(b) には、角速度＋ωｙに起因して第１の重錘体１０Ａに対して生じるコリオリ力Ｆｚ（Ａ：＋ωｙ）のグラフが示されており、図４(b) には、角速度＋ωｙに起因して第２の重錘体１０Ｂに対して生じるコリオリ力Ｆｚ（Ｂ：＋ωｙ）のグラフが示されている。両グラフは正負が反転した状態になっており、両者の差に基づいて角速度ωｙが求まることになる。たとえば、時刻ｔ１を検出時とした場合、角速度ωｙは、Ｆｚ（Ａｔ１）−Ｆｚ（Ｂｔ１）なる演算によって求まる。ここで、Ｆｚ（Ｂｔ１）は負の値であり、実際には、この差の演算は、矢印ｒ１３の長さと矢印ｒ２３の長さとの和を求める演算になる。
The second reason is that when the angular velocity is obtained, an operation for obtaining a difference between the Coriolis force F acting on the
以上は、コリオリ力Ｆｚのみが作用していた場合の議論であるが、もしＺ軸方向の加速度ｆｚが作用していた場合、実際に検出されるＺ軸方向の力は、コリオリ力Ｆｚと加速度力ｆｚとの合成力となる。いま、第１の重錘体１０Ａに作用するＺ軸方向の加速度力をｆｚ（Ａ）、第２の重錘体１０Ｂに作用するＺ軸方向の加速度力をｆｚ（Ｂ）とすれば、時刻ｔ１において、第１の重錘体１０Ａに作用する合成力は、Ｆｚ（Ａｔ１）＋ｆｚ（Ａ）となり、第２の重錘体１０Ｂに作用する合成力は、Ｆｚ（Ｂｔ１）＋ｆｚ（Ｂ）となる。ここで、Ｆｚ（Ａｔ１）とＦｚ（Ｂｔ１）とは、絶対値が等しく符号が逆であるのに対し、ｆｚ（Ａ）とｆｚ（Ｂ）とは、絶対値も符号も等しくなる。したがって、両合成力の差をとれば、コリオリ力Ｆｚの絶対値の和のみが求まり、加速度力ｆｚは相殺されてしまう。逆に、両合成力の和をとれば、加速度力ｆｚの絶対値の和のみが求まり、コリオリ力Ｆｚは相殺されてしまう。
The above is a discussion in the case where only the Coriolis force Fz is acting. If the acceleration fz in the Z-axis direction is acting, the actually detected force in the Z-axis direction is the Coriolis force Fz and the acceleration. The resultant force is combined with the force fz. Assuming that the acceleration force in the Z-axis direction acting on the
このように、本発明では、２つの重錘体に作用した力の差に基づいて角速度が求まり、和に基づいて加速度が求まる、という基本原理があるため、差および和を求める演算によって、不要な力成分（角速度検出における加速度力の成分、加速度検出におけるコリオリ力の成分）がうまく相殺されることになる。これが第２の理由である。 As described above, in the present invention, there is a basic principle that the angular velocity is obtained based on the difference between the forces acting on the two weight bodies, and the acceleration is obtained based on the sum. Force components (acceleration force component in angular velocity detection, Coriolis force component in acceleration detection) are canceled well. This is the second reason.
＜＜＜ １．４ 角速度および加速度の検出回路 ＞＞＞
図５〜図７は、上述した原理に基づいて、ＸＹＺの各座標軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、Ｙ軸まわりの角速度ωｙおよびＺ軸まわりの角速度ωｚとの５軸成分を検出する検出回路の基本構成を示すブロック図である。
<< 1.4 Detection circuit of angular velocity and acceleration >>>>
FIG. 5 to FIG. 7 show detections for detecting five-axis components of the accelerations αx, αy, αz in the XYZ coordinate axis directions, the angular velocity ωy around the Y axis, and the angular velocity ωz around the Z axis based on the principle described above. It is a block diagram which shows the basic composition of a circuit.
図５は、第１の重錘体１０Ａに関する検出回路のブロック図を示す。Ｘ軸方向駆動手段４０Ａは、第１の重錘体１０ＡをＸ軸に沿って往復運動させる手段であり、その具体的な構成例については後述する。このＸ軸方向駆動手段４０Ａの動作により、第１の重錘体１０ＡがＸ軸に沿って運動している状態において、Ｘ軸方向力検出手段５１Ａ，Ｙ軸方向力検出手段５２Ａ，Ｚ軸方向力検出手段５３Ａによって、第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に作用した力（コリオリ力Ｆと加速度力ｆ）が検出される。まず、Ｘ軸方向力検出手段５１Ａによって、加速度力ｆｘ（Ａ）のみが検出される（重錘体はＸ軸方向に運動しているので、Ｘ軸方向のコリオリ力は生じない）。一方、Ｙ軸方向力検出手段５２Ａによって、加速度力ｆｙ（Ａ）と、Ｚ軸まわりの角速度ωｚに起因して生じるコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ）との合成力が検出される。また、Ｚ軸方向力検出手段５３Ａによって、加速度力ｆｚ（Ａ）と、Ｙ軸まわりの角速度ωｙに起因して生じるコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｙ）との合成力が検出される。
FIG. 5 shows a block diagram of a detection circuit related to the
Ｙ軸方向信号分離手段６１ＡおよびＺ軸方向信号分離手段６２Ａは、上述したように、得られた合成力の信号を、高周波成分（コリオリ力Ｆの成分）と低周波成分（加速度力ｆの成分）とに分離する機能を果たす。これにより、加速度力ｆｙ（Ａ）とコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ）とが分離され、加速度力ｆｚ（Ａ）とコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｙ）とが分離される。加速度および角速度の各演算手段７１Ａ〜７５Ａは、得られた加速度力ｆｘ（Ａ），ｆｙ（Ａ），ｆｚ（Ａ）とコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ），Ｆｚ（Ａ：ωｙ）とに基づいて、それぞれ加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｚ（Ａ），ωｙ（Ａ）を演算する機能を有する。具体的には、所定の検出時に入力された加速度力ｆあるいはコリオリ力Ｆの信号値に、所定の係数を乗じて、加速度値あるいは角速度値として出力する処理を行う。
As described above, the Y-axis direction
こうして、各演算手段７１Ａ〜７５Ａから出力された加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｚ（Ａ），ωｙ（Ａ）の値は、もちろん、そのまま加速度検出値および角速度検出値として利用することができる。しかしながら、これらの検出値は必ずしも正確な値ではなく、実際には、種々の誤差成分が含まれている。たとえば、信号分離手段６１Ａ，６２Ａにおいて行われた周波数に基づく分離処理では、必ずしも加速度力とコリオリ力との厳密な分離が行われているわけではない。また、実際のセンサでは、各軸方向に作用した力を検出するために具体的な検出素子が用いられるが、これらの検出素子では、温度などの環境によって検出感度に変化が生じる可能性がある。 In this way, the values of the accelerations αx (A), αy (A), αz (A), angular velocities ωz (A), ωy (A) output from the respective computing means 71A to 75A are of course the acceleration detection values and angular velocities as they are. It can be used as a detection value. However, these detected values are not necessarily accurate values, and actually include various error components. For example, in the separation processing based on the frequency performed in the signal separation means 61A, 62A, the acceleration force and the Coriolis force are not necessarily strictly separated. In actual sensors, specific detection elements are used to detect forces acting in the respective axial directions. However, in these detection elements, there is a possibility that the detection sensitivity may vary depending on the environment such as temperature. .
本発明では、第１の重錘体１０Ａを用いた第１の検出系とともに、第２の重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系が設けられており、両検出計の検出結果を用いて、種々の誤差成分を相殺できるようにしている。図６は、第２の重錘体１０Ｂに関する検出回路のブロック図を示す。この図６の検出回路は、図５に示す検出回路における符号Ａを符号Ｂに書き替えたものであり、両検出回路の実体的な内容は全く同じである。したがって、ここでは、図６の検出回路の構成および動作についての説明は省略する。この図６の検出回路によって、加速度αｘ（Ｂ），αｙ（Ｂ），αｚ（Ｂ），角速度ωｚ（Ｂ），ωｙ（Ｂ）の値が得られることになる。
In the present invention, a second detection system using the
図７に示す回路は、図５に示す検出回路によって得られた加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｙ（Ａ），ωｚ（Ａ）と、図６に示す検出回路によって得られた加速度αｘ（Ｂ），αｙ（Ｂ），αｚ（Ｂ），角速度ωｙ（Ｂ），ωｚ（Ｂ）とに基づいて、最終的な加速度αｘ，αｙ，αｚ，角速度ωｙ，ωｚを求める回路である。すなわち、各軸方向の加速度を示す値については和を求める演算が行われ、各軸まわりの角速度を示す値については差を求める演算が行われる。この演算により、種々の誤差成分が相殺され、より正確な検出値が得られることになる。 The circuit shown in FIG. 7 includes the accelerations αx (A), αy (A), αz (A), angular velocities ωy (A), ωz (A) obtained by the detection circuit shown in FIG. Based on the acceleration αx (B), αy (B), αz (B), angular velocity ωy (B), ωz (B) obtained by the circuit, the final acceleration αx, αy, αz, angular velocity ωy, ωz This is a circuit for obtaining. That is, the calculation for obtaining the sum is performed for the values indicating the acceleration in each axis direction, and the calculation for determining the difference is performed for the value indicating the angular velocity around each axis. By this calculation, various error components are canceled out, and a more accurate detection value can be obtained.
＜＜＜ １．５ Ｘ軸まわりの角速度ωｘの検出原理 ＞＞＞
図７に示されているように、上述した角速度センサでは、３軸に関する加速度αｘ，αｙ，αｚと、２軸に関する角速度ωｙ，ωｚを検出することができるが、Ｘ軸まわりの角速度ωｘについては検出することはできない。これは、重錘体の運動方向がＸ軸方向であるため、Ｘ軸まわりの角速度ωｘに基づくコリオリ力が発生しないためである。したがって、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを検出するためには、重錘体をＹ軸方向またはＺ軸方向に運動させた状態で、Ｚ軸方向またはＹ軸方向に作用するコリオリ力を検出すればよい。
<<< 1.5 Detection Principle of Angular Velocity ωx Around X-axis >>>
As shown in FIG. 7, the angular velocity sensor described above can detect accelerations αx, αy, αz with respect to three axes and angular velocities ωy, ωz with respect to two axes. It cannot be detected. This is because the Coriolis force based on the angular velocity ωx around the X axis is not generated because the movement direction of the weight body is the X axis direction. Therefore, in order to detect the angular velocity ωx around the X axis, it is only necessary to detect the Coriolis force acting in the Z axis direction or the Y axis direction while the weight body is moved in the Y axis direction or the Z axis direction. .
たとえば、図８に示すように、第１の重錘体１０Ａに対して、図に矢印で示されているようなＹ軸方向の振動Ｕｙ（Ａ）を与え、同時に、第２の重錘体１０Ｂに対して、図に矢印で示されているようなＹ軸方向の振動Ｕｙ（Ｂ）を与えたとする。別言すれば、第１の重錘体１０Ａも第２の重錘体１０Ｂも、Ｙ軸方向に沿って往復運動していることになる。このとき、振動Ｕｙ（Ａ）と振動Ｕｙ（Ｂ）とは、周期が同一で位相が反転したものとなるようにし、常に、両重錘体が逆方向に運動するようにする。ここで、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）と、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）とが、いずれもＸ軸上に位置していたとすると、これら重心の変位は図９に示すようなものになる。すなわち、振動Ｕｙ（Ａ）によって、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）は、位置Ｙ０（Ａ）を中心として、Ｙ軸正方向へはＹ＋（Ａ）の位置まで移動し、Ｙ軸負方向へはＹ−（Ａ）の位置まで移動することになる。同様に、振動Ｕｙ（Ｂ）によって、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）は、位置Ｙ０（Ｂ）を中心として、Ｙ軸正方向へはＹ＋（Ｂ）の位置まで移動し、Ｙ軸負方向へはＹ−（Ｂ）の位置まで移動することになる。
For example, as shown in FIG. 8, the
この状態で、重錘体１０Ａ，１０Ｂに作用する各Ｚ軸コリオリ力（互いに逆符号になる）を検出し、両者の差を求めれば、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを得ることができる。もちろん、このとき、重錘体１０Ａ，１０Ｂに作用する各Ｙ軸コリオリ力（互いに逆符号になる）を検出し、両者の差を求めれば、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを得ることもできるし、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを得ることもできる。
In this state, if each Z-axis Coriolis force (with opposite signs) acting on the
結局、図８に示すような運動態様（各重錘体をＹ軸方向に振動させる態様）では、３軸に関する加速度αｘ，αｙ，αｚと、２軸に関する角速度ωｘ，ωｚを検出することができるが、Ｙ軸まわりの角速度ωｙについては検出することはできない。したがって、各軸方向に関する加速度と各軸まわりに関する角速度とのすべてを検出するためには、図１に示すような運動態様（各重錘体をＸ軸方向に振動させる態様）と図８に示すような運動態様とを交互に切り替えて実施すればよい。しかしながら、実用上は、Ｘ軸方向の運動態様をＹ軸方向の運動態様に切り替えるのは非効率的である。そこで、３軸方向の加速度と３軸まわりの角速度との６軸成分を検出するためには、次のセクションで述べるように、重錘体を回転運動させる実施形態を採るのが好ましい。 After all, in the motion mode as shown in FIG. 8 (mode in which each weight body is vibrated in the Y-axis direction), the accelerations αx, αy, αz about the three axes and the angular velocities ωx, ωz about the two axes can be detected. However, the angular velocity ωy around the Y axis cannot be detected. Therefore, in order to detect all the accelerations related to the respective axis directions and the angular velocities related to the respective axes, the movement mode as shown in FIG. 1 (the mode of vibrating each weight body in the X-axis direction) and FIG. Such exercise modes may be switched alternately. However, in practice, it is inefficient to switch the movement mode in the X-axis direction to the movement mode in the Y-axis direction. Therefore, in order to detect the six-axis component of the acceleration in the three-axis direction and the angular velocity around the three axes, it is preferable to adopt an embodiment in which the weight body is rotated as described in the next section.
§２． 重錘体を回転運動させる実施形態 §2. Embodiment for rotating the weight body
＜＜＜ ２．１ 回転運動の形態 ＞＞＞
前述した§１では、各重錘体１０Ａ，１０Ｂを、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に沿って往復運動させる形態を述べたが、ここでは、各重錘体１０Ａ，１０Ｂを、円軌道に沿って回転運動させる形態を、図１０を参照しながら説明する。図１０は、各重錘体１０Ａ，１０Ｂの重心Ｇ（Ａ），Ｇ（Ｂ）の運動軌跡を示すＸＹ平面の平面図である。ここでは、説明の便宜上、Ｘ軸の正方向を図の右方向にとり、Ｙ軸の正方向を図の上方向にとって示してあり、図の右半分には第１の重錘体１０Ａの運動軌跡が示され、図の左半分には第２の重錘体１０Ｂの運動軌跡が示されている。図の右半分において、点Ｐ１（Ａ）〜点Ｐ４（Ａ）は、それぞれ時刻ｔ１〜ｔ４における重心Ｇ（Ａ）の位置を示しており、重心Ｇ（Ａ）は図示された円軌道に沿って時計まわりに移動している。同様に、図の左半分において、点Ｐ１（Ｂ）〜点Ｐ４（Ｂ）は、それぞれ時刻ｔ１〜ｔ４における重心Ｇ（Ｂ）の位置を示しており、重心Ｇ（Ｂ）は図示された円軌道に沿って時計まわりに移動している。
<<<< 2.1 Form of rotational movement >>>>
In §1 described above, the form in which each
このように、重錘体１０Ａ，１０Ｂはいずれも同一周期で同一の回転方向に回転運動をしていることになるが、その位相は１８０°ずれたものとなっている。すなわち、時刻ｔ１において、重心Ｇ（Ａ）は円軌道の最上位置にある点Ｐ１（Ａ）に位置しているのに対して、重心Ｇ（Ｂ）は円軌道の最下位置にある点Ｐ１（Ｂ）に位置している。このように両重錘体の回転運動の位相を１８０°ずらすと、どの瞬間においても、両重錘体の移動方向は逆向きになる。図１０の各点には、それぞれその時点における重錘体の運動速度ベクトル（円軌道の接線方向を向いている）を矢印で示してある。すなわち、時刻ｔ１では、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ１（Ａ）においてＸ軸正方向に速度Ｖｘ（Ａｔ１）で移動しているのに対し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ１（Ｂ）においてＸ軸負方向に速度Ｖｘ（Ｂｔ１）で移動している。同様に、時刻ｔ２では、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ２（Ａ）においてＹ軸負方向に速度Ｖｙ（Ａｔ２）で移動しているのに対し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ２（Ｂ）においてＹ軸正方向に速度Ｖｙ（Ｂｔ２）で移動しており、時刻ｔ３では、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ３（Ａ）においてＸ軸負方向に速度Ｖｘ（Ａｔ３）で移動しているのに対し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ３（Ｂ）においてＸ軸正方向に速度Ｖｘ（Ｂｔ３）で移動しており、時刻ｔ４では、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ４（Ａ）においてＹ軸正方向に速度Ｖｙ（Ａｔ４）で移動しているのに対し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ４（Ｂ）においてＹ軸負方向に速度Ｖｙ（Ｂｔ４）で移動している。
As described above, the
このような回転運動には、Ｘ軸方向についての単振動とＹ軸方向についての単振動とが含まれており、図１に示すように、重錘体をＸ軸方向に往復運動させた状態での検出動作と、図８に示すように、重錘体をＹ軸方向に往復運動させた状態での検出動作と、の両方を行うことが可能になる。 Such rotational motion includes simple vibration in the X-axis direction and simple vibration in the Y-axis direction. As shown in FIG. 1, the weight body is reciprocated in the X-axis direction. As shown in FIG. 8, it is possible to perform both of the detection operation in FIG. 8 and the detection operation in a state where the weight body is reciprocated in the Y-axis direction.
たとえば、時刻ｔ１では、上述したように、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ１（Ａ）においてＸ軸正方向に速度Ｖｘ（Ａｔ１）で移動し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ１（Ｂ）においてＸ軸負方向に速度Ｖｘ（Ｂｔ１）で移動しており、これは図３(a) の矢印ｒ１１および図４(a) の矢印ｒ２１で示されている運動と同じである。同様に、時刻ｔ３では、上述したように、第１の重錘体１０Ａは、点Ｐ３（Ａ）においてＸ軸負方向に速度Ｖｘ（Ａｔ３）で移動し、第２の重錘体１０Ｂは、点Ｐ３（Ｂ）においてＸ軸正方向に速度Ｖｘ（Ｂｔ３）で移動しており、これは図３(a) の矢印ｒ１２および図４(a) の矢印ｒ２２で示されている運動と同じである。結局、時刻ｔ１およびｔ３では、図１に示すように、重錘体をＸ軸方向に往復運動させた状態と等価な運動状態が得られることになり、この時刻ｔ１およびｔ３を検出時とする検出を行えば、加速度αｘ，αｙ，αｚおよび角速度ωｙ，ωｚの５軸成分を検出することができる。ここでは、時刻ｔ１およびｔ３を、Ｘ軸検出時と呼ぶことにする。
For example, at time t1, as described above, the
これに対して、時刻ｔ２およびｔ４では、図８に示すように、重錘体をＹ軸方向に往復運動させた状態と等価な運動状態が得られることになり、この時刻ｔ２およびｔ４を検出時とする検出を行えば、加速度αｘ，αｙ，αｚおよび角速度ωｘ，ωｚの５軸成分を検出することができる。ここでは、時刻ｔ２およびｔ４をＹ軸検出時と呼ぶことにする。 On the other hand, at times t2 and t4, as shown in FIG. 8, a motion state equivalent to a state in which the weight body is reciprocated in the Y-axis direction is obtained, and the times t2 and t4 are detected. If timely detection is performed, the five-axis components of accelerations αx, αy, αz and angular velocities ωx, ωz can be detected. Here, times t2 and t4 are referred to as Y-axis detection times.
結局、時刻ｔ１〜ｔ４を一周期とする検出動作を行えば、Ｘ軸検出時には、αｘ，αｙ，αｚ，ωｙ，ωｚの５軸成分が検出でき、Ｙ軸検出時には、αｘ，αｙ，αｚ，ωｘ，ωｚの５軸成分が検出できることになり、一検出周期の間に、全６軸成分の検出が可能になる。 Eventually, if the detection operation with time t1 to t4 as one cycle is performed, the five-axis components of αx, αy, αz, ωy, and ωz can be detected at the time of X-axis detection, and αx, αy, αz, The five-axis components of ωx and ωz can be detected, and all six-axis components can be detected during one detection cycle.
＜＜＜ ２．２ 角速度および加速度の検出回路 ＞＞＞
図１１〜図１３は、上述した原理に基づいて、ＸＹＺの各座標軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚと、各座標軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚとの６軸成分を検出する検出回路の基本構成を示すブロック図である。
<<< 2.2 Detection circuit of angular velocity and acceleration >>>
FIGS. 11 to 13 show the basics of a detection circuit that detects six-axis components of accelerations αx, αy, αz in the respective XYZ coordinate axes and angular velocities ωx, ωy, ωz around the respective coordinate axes based on the principle described above. It is a block diagram which shows a structure.
図１１は、第１の重錘体１０Ａに関する検出回路のブロック図を示す。回転駆動手段１４０Ａは、第１の重錘体１０Ａを円軌道に沿って回転運動させる手段であり、その具体的な構成例については後述する。この回転駆動手段１４０Ａの動作により、第１の重錘体１０Ａが円軌道に沿って運動している状態において、Ｘ軸方向力検出手段１５１Ａ，Ｙ軸方向力検出手段１５２Ａ，Ｚ軸方向力検出手段１５３Ａによって、第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に作用した力（コリオリ力Ｆと加速度力ｆ）が検出される。
FIG. 11 is a block diagram of a detection circuit related to the
まず、Ｘ軸方向力検出手段１５１Ａによって、Ｘ軸方向に作用した力が検出されるが、Ｘ軸検出時（時刻ｔ１，ｔ３）には、加速度力ｆｘ（Ａ）のみが検出され（Ｘ軸検出時には、重錘体はＸ軸方向に運動しているので、Ｘ軸方向のコリオリ力は生じない）、Ｙ軸検出時（時刻ｔ２，ｔ４）には、加速度力ｆｘ（Ａ）とコリオリ力Ｆｘ（Ａ：ωｚ）との合成力が検出される。なお、図では、Ｘ軸検出時に検出される力を1で示し、Ｙ軸検出時に検出される力を2で示してある。 First, the force acting in the X-axis direction is detected by the X-axis direction force detection means 151A, but only the acceleration force fx (A) is detected (X-axis) when the X-axis is detected (time t1, t3). At the time of detection, since the weight body moves in the X-axis direction, no Coriolis force in the X-axis direction is generated.) At the time of Y-axis detection (time t2, t4), the acceleration force fx (A) and the Coriolis force are detected. A combined force with Fx (A: ωz) is detected. In the figure, the force detected when the X axis is detected is indicated by 1, and the force detected when the Y axis is detected is indicated by 2.
同様に、Ｙ軸方向力検出手段１５２Ａによって、Ｙ軸方向に作用した力が検出されるが、Ｘ軸検出時（時刻ｔ１，ｔ３）には、加速度力ｆｙ（Ａ）とコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ）との合成力が検出され、Ｙ軸検出時（時刻ｔ２，ｔ４）には、加速度力ｆｙ（Ａ）のみが検出される（Ｙ軸検出時には、重錘体はＹ軸方向に運動しているので、Ｙ軸方向のコリオリ力は生じない）。 Similarly, the force acting in the Y-axis direction is detected by the Y-axis direction force detection means 152A, but at the time of X-axis detection (time t1, t3), the acceleration force fy (A) and the Coriolis force Fy (A : Ωz) is detected, and when the Y axis is detected (time t2, t4), only the acceleration force fy (A) is detected (when the Y axis is detected, the weight body moves in the Y axis direction). Therefore, no Coriolis force in the Y-axis direction is generated).
また、Ｚ軸方向力検出手段１５３Ａによって、Ｚ軸方向に作用した力が検出されるが、Ｘ軸検出時（時刻ｔ１，ｔ３）には、加速度力ｆｚ（Ａ）とＹ軸まわりの角速度に起因したコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｙ）との合成力が検出され、Ｙ軸検出時（時刻ｔ２，ｔ４）には、加速度力ｆｚ（Ａ）とＸ軸まわりの角速度に起因したコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｘ）との合成力が検出される。 Further, the force acting in the Z-axis direction is detected by the Z-axis direction force detection means 153A, but when the X-axis is detected (time t1, t3), the acceleration force fz (A) and the angular velocity around the Y-axis are detected. The resultant force with the resulting Coriolis force Fz (A: ωy) is detected, and when the Y-axis is detected (time t2, t4), the Coriolis force Fz (A) caused by the acceleration force fz (A) and the angular velocity around the X-axis is detected. A: The combined force with ωx) is detected.
Ｘ軸方向信号分離手段１６１Ａ，Ｙ軸方向信号分離手段１６２Ａ，Ｚ軸方向信号分離手段１６３Ａは、得られた合成力の信号を、高周波成分（コリオリ力Ｆの成分）と低周波成分（加速度力ｆの成分）とに分離する機能を果たす。これにより、加速度力ｆｘ（Ａ）とコリオリ力Ｆｘ（Ａ：ωｚ）とが分離され、加速度力ｆｙ（Ａ）とコリオリ力Ｆｙ（Ａ：ωｚ）とが分離され、加速度力ｆｚ（Ａ）とコリオリ力Ｆｚ（Ａ：ωｙ）またはＦｚ（Ａ：ωｘ）とが分離される。加速度および角速度の各演算手段１７１Ａ〜１７６Ａは、得られた加速度力ｆｘ（Ａ），ｆｙ（Ａ），ｆｚ（Ａ）とコリオリ力Ｆｘ（Ａ：ωｚ），Ｆｙ（Ａ：ωｚ），Ｆｚ（Ａ：ωｙ），Ｆｚ（Ａ：ωｘ）とに基づいて、加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｘ（Ａ），ωｙ（Ａ），ωｚ（Ａ）を演算する機能を有する。具体的には、所定の検出時に入力された加速度力ｆあるいはコリオリ力Ｆの信号値に、所定の係数を乗じて、加速度値あるいは角速度値として出力する処理を行う。
The X-axis direction
なお、角速度演算手段１７２Ａと１７４Ａとは、いずれも角速度ωｚ（Ａ）を出力する機能を有しているので、少なくとも一方があれば足りる。ただ、両方を設けておけば、Ｘ軸検出時にもＹ軸検出時にも、角速度ωｚ（Ａ）を得ることができる。また、角速度演算手段１７６Ａは、Ｘ軸検出時には角速度ωｙ（Ａ）を出力し、Ｙ軸検出時には角速度ωｘ（Ａ）を出力する、という交互出力動作を行うことになるので、いずれの検出時に出力された値であるかによって、出力値を区別して取り扱うようにする必要がある。 Note that each of the angular velocity calculation means 172A and 174A has a function of outputting the angular velocity ωz (A), so that at least one is sufficient. However, if both are provided, the angular velocity ωz (A) can be obtained both when the X axis is detected and when the Y axis is detected. Further, the angular velocity calculating means 176A performs an alternate output operation of outputting the angular velocity ωy (A) when detecting the X axis and outputting the angular velocity ωx (A) when detecting the Y axis. It is necessary to treat the output value differently depending on whether it is a set value.
こうして、各演算手段１７１Ａ〜１７６Ａから出力された加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｘ（Ａ），ωｙ（Ａ），ωｚ（Ａ）の値は、もちろん、そのまま加速度検出値および角速度検出値として利用することができる。しかしながら、これらの検出値は必ずしも正確な値ではなく、実際には、上述したように種々の誤差成分が含まれている。そこで、第１の重錘体１０Ａを用いた第１の検出系と、第２の重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系とを利用して、誤差成分を相殺する。図１２は、第２の重錘体１０Ｂに関する検出回路のブロック図を示す。この図１２の検出回路は、図１１に示す検出回路における符号Ａを符号Ｂに書き替えたものであり、両検出回路の実体的な内容は全く同じである。したがって、ここでは、図１２の検出回路の構成および動作についての説明は省略する。この図１２の検出回路によって、加速度αｘ（Ｂ），αｙ（Ｂ），αｚ（Ｂ），角速度ωｘ（Ｂ），ωｙ（Ｂ），ωｚ（Ｂ）の値が得られることになる。
In this way, the values of the accelerations αx (A), αy (A), αz (A), angular velocities ωx (A), ωy (A), and ωz (A) output from the arithmetic units 171A to 176A are of course unchanged. It can be used as an acceleration detection value and an angular velocity detection value. However, these detected values are not necessarily accurate values, and actually include various error components as described above. Therefore, the error component is canceled by using the first detection system using the
図１３に示す回路は、図１１に示す検出回路によって得られた加速度αｘ（Ａ），αｙ（Ａ），αｚ（Ａ），角速度ωｘ（Ａ），ωｙ（Ａ），ωｚ（Ａ）と、図１２に示す検出回路によって得られた加速度αｘ（Ｂ），αｙ（Ｂ），αｚ（Ｂ），角速度ωｘ（Ｂ），ωｙ（Ｂ），ωｚ（Ｂ）とに基づいて、最終的な加速度αｘ，αｙ，αｚ，角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを求める回路である。すなわち、各軸方向の加速度を示す値については和を求める演算が行われ、各軸まわりの角速度を示す値については差を求める演算が行われる。この演算により、種々の誤差成分が相殺され、より正確な検出値が得られることになる。 The circuit shown in FIG. 13 includes accelerations αx (A), αy (A), αz (A), angular velocities ωx (A), ωy (A), ωz (A) obtained by the detection circuit shown in FIG. Based on the accelerations αx (B), αy (B), αz (B), angular velocities ωx (B), ωy (B), and ωz (B) obtained by the detection circuit shown in FIG. This is a circuit for obtaining αx, αy, αz and angular velocities ωx, ωy, ωz. That is, the calculation for obtaining the sum is performed for the values indicating the acceleration in each axis direction, and the calculation for determining the difference is performed for the value indicating the angular velocity around each axis. By this calculation, various error components are canceled out, and a more accurate detection value can be obtained.
§３． 重錘体の運動機構および力の検出機構
本発明に係る角速度センサでは、重錘体に所定の運動を行わせた状態において、この重錘体に作用する力を検出することにより、角速度および加速度の検出を行うことになる。そこで、ここでは、重錘体を運動させるための具体的な機構および重錘体に作用する力を検出するための具体的な機構を述べることにする。
§3. Motion mechanism and force detection mechanism of weight body In the angular velocity sensor according to the present invention, the angular velocity and acceleration are detected by detecting the force acting on the weight body in a state where the weight body performs a predetermined motion. Will be detected. Therefore, here, a specific mechanism for moving the weight body and a specific mechanism for detecting the force acting on the weight body will be described.
＜＜＜ ３．１ 導電路を利用した基本原理 ＞＞＞
いま、図１４に示すように、ＸＹ平面に平行な上面を有する基板を重錘体１０として用いることにし、この重錘体１０を接続部材２０によって装置筐体３０に接続する。そして、この重錘体１０の上面に、図示のように、Ｙ軸に沿って伸びる一対の励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２を形成する。一方、この励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２が位置する空間に、この励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２に対して磁束が平行にはならないような均一磁界を発生させる磁界発生手段１００を設ける。図示の例の場合、磁界発生手段１００は、Ｚ軸方向を向いた均一な平行磁束φｚを発生させる機能を有する。
<<<< 3.1 Basic Principles Using Conductive Paths >>>>
Now, as shown in FIG. 14, a substrate having an upper surface parallel to the XY plane is used as the
このような構成において、励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２に励振用電流Ｉｙを流すと、この電流Ｉｙと磁界との相互作用に基づくローレンツ力によって、重錘体１０に対してＸ軸方向の力が作用する。したがって、励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２に対して、それぞれ同位相の交流電流Ｉｙを供給すると、重錘体１０はＸ軸方向に単振動することになる。よって、重錘体１０上に励振用導電路Ｌｙ１，Ｌｙ２を設けておけば、重錘体１０をＸ軸方向に往復運動させることが可能になる。なお、原理的には、励振用導電路は、Ｌｙ１またはＬｙ２のいずれか一方のみで足りるが、安定した往復運動を行わせるためには、重錘体１０の重心位置を挟んで線対称となる位置に一対の励起用導電路を設けるのが好ましい。また、重錘体１０をＹ軸方向に往復運動させる場合には、Ｘ軸に沿って伸びる励振用導電路を用いればよいし、重錘体１０をＸＹ平面内で回転運動させる場合には、後述するように、Ｘ軸に沿って伸びる励振用導電路とＹ軸に沿って伸びる励振用導電路との双方を用いればよい。
In such a configuration, when an excitation current Iy is passed through the excitation conductive paths Ly1 and Ly2, a force in the X-axis direction is applied to the
次に、図１５に示すように、重錘体１０の上面に、Ｘ軸に沿って伸びる一対の検出用導電路Ｋｘ１，Ｋｘ２と、Ｙ軸に沿って伸びる一対の検出用導電路Ｋｙ１，Ｋｙ２とを形成した場合を考える。この場合も、検出用導電路Ｋｘ１，Ｋｘ２，Ｋｙ１，Ｋｙ２が位置する空間に、これらの導電路に対して磁束が平行にはならないような均一磁界を発生させる磁界発生手段１００を設ける。図示の例の場合、磁界発生手段１００は、Ｚ軸方向を向いた均一な平行磁束φｚを発生させる機能を有する。
Next, as shown in FIG. 15, a pair of detection conductive paths Kx1 and Kx2 extending along the X axis and a pair of detection conductive paths Ky1 and Ky2 extending along the Y axis are formed on the upper surface of the
この図１５に示すような構成において、重錘体１０に何らかの力が作用し、重錘体１０がＸ軸方向に速度Ｖｘで変位した場合、Ｙ軸に沿って伸びる検出用導電路Ｋｙ１，Ｋｙ２が磁束φｚを切る運動を行うため、この検出用導電路Ｋｙ１，Ｋｙ２の両端には、フレミングの法則に基づいて、それぞれ所定の誘導起電力Ｅｙが生じることになる。よって、この起電力Ｅｙを検出することにより、Ｘ軸方向への変位速度Ｖｘを求めることができる。また、図１６に示すように、重錘体１０に何らかの力が作用し、重錘体１０がＹ軸方向に速度Ｖｙで変位した場合、Ｘ軸に沿って伸びる検出用導電路Ｋｘ１，Ｋｘ２が磁束φｚを切る運動を行うため、この検出用導電路Ｋｘ１，Ｋｘ２の両端には、それぞれ所定の誘導起電力Ｅｘが生じることになる。よって、この起電力Ｅｘを検出することにより、Ｙ軸方向への変位速度Ｖｙを求めることができる。
In the configuration shown in FIG. 15, when some force is applied to the
なお、原理的には、検出用導電路は、Ｋｘ１またはＫｘ２のいずれか一方と、Ｋｙ１またはＫｙ２のいずれか一方と、を設けておけば足りるが、安定した検出動作を行うためには、重錘体１０の重心位置を挟んで線対称となる位置にそれぞれ一対の検出用導電路を設けるのが好ましい。
In principle, it is sufficient that the detection conductive path is provided with either Kx1 or Kx2 and either Ky1 or Ky2. However, in order to perform a stable detection operation, the detection conductive path is important. It is preferable to provide a pair of detection conductive paths at positions that are line-symmetric with respect to the center of gravity of the
ところで、本発明において検出すべき量は、重錘体１０に作用した力（コリオリ力および加速度力）である。ここで、この重錘体１０に作用した力と、重錘体１０に生じた変位との間には、所定の対応関係が定義できる。すなわち、作用した力の方向と変位の方向は一致し、力の大きさと変位の大きさは対応する（作用した力が大きくなればなるほど、変位も大きくなる）。特に、接続部材２０が線形伸縮動作を行う場合には、作用した力の大きさと、変位の大きさは線形対応することになる。したがって、重錘体１０の変位量を直接検出することができれば、この変位量を作用した力を示す量としてそのまま利用することができる。
By the way, the amount to be detected in the present invention is the force (Coriolis force and acceleration force) acting on the
しかしながら、上述した検出用導電路に発生する誘導起電力は、重錘体１０の変位量を直接示す物理量ではなく、あくまでも重錘体１０の変位速度を示す物理量である。別言すれば、変位の時間微分値を示す物理量である。よって、この誘導起電力の値は、作用した力の時間微分値に対応した値ということになり、作用した力そのものを示す値にはならない。ただ、この誘導起電力の値を、作用した力を示す疑似的な値として利用しても、三次元空間内を自由運動する物体についての角速度や加速度を検出する用途における実用上は大きな問題は生じない。その理由は次のとおりである。
However, the induced electromotive force generated in the detection conductive path described above is not a physical quantity that directly indicates the displacement amount of the
まず、角速度の検出については、何ら問題は生じない。なぜなら、角速度に基づいて作用するコリオリ力は、重錘体１０の運動方向が周期的に変化しているため、必ず周期的に変化することになるためである。たとえば、一定の向きに一定の角速度で回転しているシャフトに、この角速度センサを取り付けたとすると、センサの装置筐体３０内で、重錘体１０の運動方向は周期的に向きを変えるため、コリオリ力の向きも周期的に変わることになり、検出用導電路には常に誘導起電力が発生することになる。したがって、この誘導起電力の値を、重錘体１０に作用したコリオリ力を示す値として利用し、角速度ωを演算しても何ら問題はない。
First, there is no problem with the detection of angular velocity. This is because the Coriolis force acting on the basis of the angular velocity always changes periodically because the movement direction of the
一方、この誘導起電力の値を、重錘体１０に作用した加速度力を示す値として利用し、加速度αを求める場合を考える。フレミングの法則によると、発生する誘導起電力は、導電路の移動速度に比例するので、加速度は誘導起電力の微分値に比例することになる。したがって、発生した誘導起電力から加速度αを求めるためには、誘導起電力の値を微分すればよいことになる（図５，図６，図１１，図１２に示されている力検出手段または加速度演算手段に、このような微分を求めるための微分回路を内蔵させておけばよい）。
On the other hand, the case where the value of the induced electromotive force is used as a value indicating the acceleration force acting on the
もっとも、この方法では、静的な加速度ではなく、動的な加速度（加速度の変動成分）のみしか検出することはできず、重力加速度ｇのような静的な加速度は、この方法では検出することができない。たとえば、重力加速度ｇが、重錘体１０に対してＹ軸方向に作用していた場合、重錘体１０自体はこの重力加速度ｇに起因した加速度力によってＹ軸方向に変位した状態を維持することになるが、このような定常的な変位によっては、検出用導電路に誘導起電力は生じない。このため、静的な加速度は、検出用導電路を利用する方法では検出することができない。しかしながら、自動車や航空機など、三次元空間内を自由運動する物体について測定すべき加速度は、ほとんどの場合、動的な加速度である。したがって、実用上は、上述した誘導起電力の微分値に基づいて動的加速度のみを検出する手法を採っても問題は生じない。もちろん、重力加速度ｇのような静的な加速度検出をも必要とする場合には、重錘体１０の変位自体を検出することができる別な手法を採ればよい。
However, in this method, only dynamic acceleration (a fluctuation component of acceleration) can be detected, not static acceleration, and static acceleration such as gravitational acceleration g can be detected by this method. I can't. For example, when the gravitational acceleration g acts on the
＜＜＜ ３．２ 容量素子を利用した基本原理 ＞＞＞
上述した検出用導電路を用いた方法によれば、重錘体１０に作用したＸ軸方向の力およびＹ軸方向の力を検出することはできるが、Ｚ軸方向の力を検出することはできない。なぜなら、磁界発生手段１００によって発生した磁界が、Ｚ軸方向を向いた磁束φｚを有するからである。そこで、Ｚ軸方向の力検出を行うためには、別な手段を用いなければならない。ここでは、容量素子を利用して、Ｚ軸方向の力検出を行う方法を述べる。
<<< 3.2 Basic Principle Using Capacitance Element >>>
According to the method using the detection conductive path described above, the force in the X-axis direction and the force in the Y-axis direction acting on the
図１７は、この方法で用いる重錘体１０の側断面図である。ここで、重錘体１０は、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する基板であり、接続部材２０によって、装置筐体３０に接続されている。また、この装置筐体３０の一部には、重錘体１０の下面に対向する対向面８０が形成されている。更に、重錘体１０の下面には、電極Ｅ１が形成され、対向面８０の上面には、電極Ｅ２が形成されている。両電極Ｅ１，Ｅ２は、対向した位置に配置され、対向した一対の導電面によって容量素子が形成されている。
FIG. 17 is a side sectional view of the
一般に、容量素子の静電容量値は、その容量素子を形成する一対の電極間隔に反比例する。したがって、図１７において、両電極Ｅ１，Ｅ２によって形成された容量素子の静電容量値は、これら両電極間距離に応じて定まることになる。ここで、重錘体１０が図の下方（Ｚ軸負方向）に変位すると、電極間距離は短くなり、重錘体１０が図の上方（Ｚ軸正方向）に変位すると、電極間距離は長くなる。結局、この容量素子の静電容量値を測定することができれば、重錘体１０のＺ軸方向の変位を検出することができ、重錘体１０に作用したＺ軸方向の力を間接的に検出することができる。なお、この容量素子によって検出される値は、重錘体１０の変位そのものであるので、この検出値を利用して、重力加速度ｇのような静的加速度も求めることが可能である。
In general, the capacitance value of a capacitive element is inversely proportional to the distance between a pair of electrodes forming the capacitive element. Accordingly, in FIG. 17, the capacitance value of the capacitive element formed by both electrodes E1, E2 is determined according to the distance between these electrodes. Here, when the
また、ここでは、Ｚ軸方向に作用した力の検出に容量素子を用いているが、この検出の原理は、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に作用した力の検出にも利用することができる。更に、容量素子を構成する一対の電極間に電圧を印加するとクーロン力が発生するので、このクーロン力を利用して重錘体を運動させることも可能であり、容量素子は重錘体の駆動手段として利用することも可能である。このような利用形態の具体例は、§５の実施例で述べる。 Here, the capacitive element is used to detect the force acting in the Z-axis direction, but the principle of this detection can also be used to detect the force acting in the X-axis direction or the Y-axis direction. Furthermore, since a Coulomb force is generated when a voltage is applied between a pair of electrodes constituting the capacitive element, it is possible to move the weight body using this Coulomb force, and the capacitive element drives the weight body. It can also be used as a means. A specific example of such a usage pattern will be described in the example of §5.
＜＜＜ ３．３ 具体的な適用例 ＞＞＞
以上、重錘体上に導電路を形成することにより、重錘体の運動および力検出を行う原理と、容量素子を利用して力検出を行う原理とを説明したが、ここでは、これらの原理を、§１および§２で述べた実施形態に具体的に適用した例を述べる。
<<< 3.3 Specific application examples >>>
As described above, the principle of performing motion and force detection of the weight body by forming a conductive path on the weight body and the principle of performing force detection using the capacitive element have been described. An example in which the principle is specifically applied to the embodiments described in §1 and §2 will be described.
図１８は、図１に示す実施形態への適用例を示す平面図であり、ＸＹ平面を上方から見た状態が示されている。装置筐体３０内には、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する基板からなる第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂが左右に並んで配置されている。これら重錘体１０Ａ，１０Ｂは、接続部材２０によって、装置筐体３０に接続されている。また、両重錘体１０Ａ，１０Ｂ間には、これらを相互接続する接続部材２５が設けられており、この接続部材２５上の１点Ｊは、装置筐体３０に接続した状態にしてもよいし、接続せずに自由な状態にしておいてもよい。
FIG. 18 is a plan view showing an application example to the embodiment shown in FIG. 1, and shows a state in which the XY plane is viewed from above. In the
第１の重錘体１０Ａの上面には、６個の導電路が配置されている。ここで、これら導電路の配置状態を説明する便宜のために、第１の重錘体１０Ａの上面中央の点Ｏａまで座標系の原点を移動させたとすると、この第１の重錘体１０Ａの上面には、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｙ１Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｙ２Ａと、が設けられている。また、同じく第１の重錘体１０Ａの上面には、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｙ１Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｙ２Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｘ１Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｘ２Ａと、が設けられている。一方、第２の重錘体１０Ｂの上面にも、原点Ｏｂの周囲に全く同じ構成で２本の励振用導電路Ｌｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂと、４本の検出用導電路Ｋｙ１Ｂ，Ｋｙ２Ｂ，Ｋｘ１Ｂ，Ｋｘ２Ｂが設けられている。
Six conductive paths are arranged on the upper surface of the
図１９は、図１８に示す角速度センサの側断面図であり、第１の重錘体１０Ａおよび第２の重錘体１０Ｂの上面に、各導電路が形成された状態が示されている。また、これら各重錘体の上方には、磁石９０（電磁石でもよい）が配置されている。この磁石９０は、磁界発生手段１００として機能し、Ｚ軸方向を向いた平行磁束φｚを発生させる機能を有する（図１８の平面図では、磁石９０の図示は省略されている）。第１の重錘体１０Ａの下面には、電極Ｅ１Ａが形成されており、第２の重錘体１０Ｂの下面には、電極Ｅ１Ｂが形成されている。装置筐体３０の底面には、これらの電極に対向して、電極Ｅ２Ａ，Ｅ２Ｂが形成されており、対向する一対の電極によって、それぞれ容量素子が形成されている。
FIG. 19 is a side sectional view of the angular velocity sensor shown in FIG. 18 and shows a state in which each conductive path is formed on the top surfaces of the
既に述べた原理により、図１８に示す一対の励振用導電路Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａに同一の交流電流を供給すると、第１の重錘体１０ＡをＸ軸方向に往復運動させることができ、一対の励振用導電路Ｌｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂに同一の交流電流を供給すると、第２の重錘体１０ＢをＸ軸方向に往復運動させることができる。このとき、第１の重錘体１０Ａ側に供給する交流電流の位相と、第２の重錘体１０Ｂ側に供給する交流電流の位相とを、互いに１８０°ずれた状態にしておけば、両重錘体は常に逆方向に運動することになる。
When the same alternating current is supplied to the pair of excitation conductive paths Ly1A and Ly2A shown in FIG. 18 according to the principle already described, the
こうして、重錘体１０Ａ，１０ＢをＸ軸方向に往復運動させた状態において、各重錘体に作用した各軸方向の力は、次のようにして検出することができる。まず、第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸方向に作用した力は、検出用導電路Ｋｙ１Ａ，Ｋｙ２Ａに発生した誘導起電力に基づいて検出することができる。また、第１の重錘体１０Ａに対してＹ軸方向に作用した力は、検出用導電路Ｋｘ１Ａ，Ｋｘ２Ａに発生した誘導起電力に基づいて検出することができる。更に、第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用した力は、電極Ｅ１Ａ，Ｅ２Ａによって構成される容量素子の静電容量に基づいて検出することができる。第２の重錘体１０Ｂに作用した各軸方向の力についても、同様の方法で検出することが可能である。
Thus, in the state where the
結局、図１に示す実施形態に適用した場合、次のような方法で角速度および加速度を検出することができる。まず、Ｙ軸まわりの角速度ωｙは、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の差として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の差として求めることができる。 After all, when applied to the embodiment shown in FIG. 1, the angular velocity and acceleration can be detected by the following method. First, since the angular velocity ωy about the Y axis is detected as a difference between the Z-axis Coriolis forces acting on the two weight bodies, it can be obtained as a difference between the capacitance values of the capacitive elements of the two weight bodies.
また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、両重錘体に作用したＹ軸コリオリ力の差として検出されるので、検出用導電路Ｋｘ１ＡまたはＫｘ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｘ１ＢまたはＫｘ２Ｂに発生する誘導起電力との差として求めることができる。あるいは、検出用導電路Ｋｘ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｘ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の差によって求めることも可能である。 Further, since the angular velocity ωz around the Z-axis is detected as a difference between the Y-axis Coriolis forces acting on both weight bodies, the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1A or Kx2A and the detection conductive path Kx1B or It can be obtained as a difference from the induced electromotive force generated in Kx2B. Alternatively, the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx2A, and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1B and generated in the detection conductive path Kx2B. It is also possible to obtain the difference from the sum of the induced electromotive force.
一方、Ｘ軸方向の加速度αｘは、検出用導電路Ｋｙ１ＡまたはＫｙ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｙ１ＢまたはＫｙ２Ｂに発生する誘導起電力と、の和の微分値として検出することができる。あるいは、検出用導電路Ｋｙ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｙ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の更なる和の微分値として検出することもできる。 On the other hand, the acceleration αx in the X-axis direction can be detected as a differential value of the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1A or Ky2A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1B or Ky2B. it can. Alternatively, the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky2A, and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1B and generated in the detection conductive path Ky2B. It can also be detected as a differential value of the sum of the induced electromotive force and a further sum of the sum.
また、Ｙ軸方向の加速度αｙは、検出用導電路Ｋｘ１ＡまたはＫｘ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｘ１ＢまたはＫｘ２Ｂに発生する誘導起電力と、の和の微分値として検出することができる。あるいは、検出用導電路Ｋｘ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｘ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の更なる和の微分値として検出することもできる。 Further, the acceleration αy in the Y-axis direction can be detected as a differential value of the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1A or Kx2A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1B or Kx2B. it can. Alternatively, the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx2A, and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1B and generated in the detection conductive path Kx2B. It can also be detected as a differential value of the sum of the induced electromotive force and a further sum of the sum.
更に、Ｚ軸方向の加速度αｚは、両重錘体に作用したＺ軸加速度力の和として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の和として求めることができる。 Furthermore, since the acceleration αz in the Z-axis direction is detected as the sum of the Z-axis acceleration forces acting on both weights, it can be obtained as the sum of the capacitance values of the capacitive elements of both weights.
以上、図１に示す実施形態への適用例を述べた。これに対して、図２０は、図８に示す実施形態への適用例を示す平面図であり、ＸＹ平面を上方から見た状態が示されている。第１の重錘体１０Ａの上面には、座標系の原点を中央の点Ｏａまで移動させたとすれば、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｘ１Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｘ２Ａと、が設けられている。一方、検出用導電路Ｋｘ１Ａ，Ｋｘ２Ａ，Ｋｙ１Ａ，Ｋｙ２Ａの配置に関しては、図１８に示す前述の適用例と同様である。また、第２の重錘体１０Ｂの上面にも、全く同じ構成で２本の励振用導電路Ｌｘ１Ｂ，Ｌｘ２Ｂと、４本の検出用導電路Ｋｙ１Ｂ，Ｋｙ２Ｂ，Ｋｘ１Ｂ，Ｋｘ２Ｂが設けられている。更に、各重錘体１０Ａ，１０Ｂの下面には、図１９に示す前述の適用例と同様に電極が形成されており、装置筐体３０の底面側に形成された対向電極とともに容量素子が形成されている。
The application example to the embodiment shown in FIG. 1 has been described above. On the other hand, FIG. 20 is a plan view showing an application example to the embodiment shown in FIG. 8, and shows a state in which the XY plane is viewed from above. If the origin of the coordinate system is moved to the center point Oa on the upper surface of the
結局、図８に示す実施形態に適用した場合、次のような方法で角速度および加速度を検出することができる。まず、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の差として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の差として求めることができる。また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、両重錘体に作用したＸ軸コリオリ力の差として検出されるので、検出用導電路Ｋｙ１ＡまたはＫｙ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｙ１ＢまたはＫｙ２Ｂに発生する誘導起電力との差として求めることができる。あるいは、検出用導電路Ｋｙ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｙ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の差によって求めることも可能である。 After all, when applied to the embodiment shown in FIG. 8, the angular velocity and acceleration can be detected by the following method. First, since the angular velocity ωx around the X axis is detected as a difference between the Z-axis Coriolis forces acting on the two weight bodies, it can be obtained as a difference between the capacitance values of the capacitive elements of the two weight bodies. Further, since the angular velocity ωz around the Z-axis is detected as a difference between the X-axis Coriolis forces acting on both weights, the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1A or Ky2A and the detection conductive path Ky1B or It can be obtained as a difference from the induced electromotive force generated in Ky2B. Alternatively, the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky2A, and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1B and generated in the detection conductive path Ky2B. It is also possible to obtain the difference from the sum of the induced electromotive force.
一方、図２１は、図１０に示す実施形態への適用例を示す平面図であり、ＸＹ平面を上方から見た状態が示されている。第１の重錘体１０Ａの上面には、座標系の原点を中央の点Ｏａまで移動させたとすれば、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｘ１Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｘ２Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｙ１Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差するように配置された励振用導電路Ｌｙ２Ａと、が設けられている。また、同じく第１の重錘体１０Ａの上面には、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｙ１Ａと、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｙ２Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｘ１Ａと、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差するように配置された検出用導電路Ｋｘ２Ａと、が設けられている。一方、第２の重錘体１０Ｂの上面にも、原点Ｏｂの周囲に全く同じ構成で４本の励振用導電路Ｌｘ１Ｂ，Ｌｘ２Ｂ，Ｌｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂと、４本の検出用導電路Ｋｙ１Ｂ，Ｋｙ２Ｂ，Ｋｘ１Ｂ，Ｋｘ２Ｂとが設けられている。更に、各重錘体１０Ａ，１０Ｂの下面には、図１９に示す前述の適用例と同様に電極が形成されており、装置筐体３０の底面側に形成された対向電極とともに容量素子が形成されている。
On the other hand, FIG. 21 is a plan view showing an application example to the embodiment shown in FIG. 10, and shows a state in which the XY plane is viewed from above. If the origin of the coordinate system is moved to the center point Oa on the upper surface of the
このように、４本の励振用導電路Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａ，Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａを用いると、第１の重錘体１０Ａに対して回転運動をさせることが可能になる。既に述べたように、励振用導電路Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａに同一の交流電流Ｉｙを与えると、重錘体はＸ軸方向に単振動を行うことになり、この励振用導電路Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａは、重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させるＸ軸方向駆動手段として機能することになる。一方、励振用導電路Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａに同一の交流電流Ｉｘを与えると、重錘体はＹ軸方向に単振動を行うことになり、この励振用導電路Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａは、重錘体をＹ軸方向に沿って往復運動させるＹ軸方向駆動手段として機能することになる。このＸ軸方向駆動手段とＹ軸方向駆動手段とを組み合わせると、重錘体を回転運動させる回転駆動手段を構成することができる。そのためには、重錘体のＸ軸方向の往復運動とＹ軸方向の往復運動とが、周期が同一で位相が９０°ずれたものとなるように設定すればよい。すなわち、図２２に示すように、位相が９０°ずれた正弦波信号Ｉｙ，Ｉｘを用意し、信号Ｉｙを励振用導電路Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａに与えて重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させるとともに、信号Ｉｘを励振用導電路Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａに与えて重錘体をＹ軸方向に沿って往復運動させれば、第１の重錘体１０Ａの重心Ｇ（Ａ）は、図１０の右半分に示す円軌道に沿った回転運動を行うことになる。
As described above, when the four excitation conductive paths Lx1A, Lx2A, Ly1A, and Ly2A are used, the
一方、図２２に示す正弦波信号Ｉｙ，Ｉｘに対して、それぞれ位相が１８０°ずれた信号を用意し、これらの信号を、第２の重錘体１０Ｂ上の励振用導電路Ｌｘ１Ｂ，Ｌｘ２ＢおよびＬｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂに供給すれば、第２の重錘体１０Ｂの重心Ｇ（Ｂ）は、図１０の左半分に示す円軌道に沿った回転運動を行うことになる。重心Ｇ（Ｂ）の回転運動は、重心Ｇ（Ａ）の回転運動に対して、位相が１８０°ずれたものになる。
On the other hand, signals having phases shifted by 180 ° with respect to the sine wave signals Iy and Ix shown in FIG. 22 are prepared, and these signals are supplied to the excitation conductive paths Lx1B and Lx2B on the
こうして、重錘体１０Ａ，１０Ｂを回転運動させた状態において、各重錘体に作用した各軸方向の力は、次のようにして検出することができる。まず、第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸方向に作用した力は、検出用導電路Ｋｙ１Ａ，Ｋｙ２Ａに発生した誘導起電力に基づいて検出することができる。また、第１の重錘体１０Ａに対してＹ軸方向に作用した力は、検出用導電路Ｋｘ１Ａ，Ｋｘ２Ａに発生した誘導起電力に基づいて検出することができる。更に、第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用した力は、電極Ｅ１Ａ，Ｅ２Ａによって構成される容量素子の静電容量に基づいて検出することができる。第２の重錘体１０Ｂに作用した各軸方向の力についても、同様の方法で検出することが可能である。
Thus, in the state where the
結局、図１０に示す実施形態に適用した場合、次のような方法で角速度および加速度を検出することができる。 After all, when applied to the embodiment shown in FIG. 10, the angular velocity and acceleration can be detected by the following method.
まず、Ｘ軸まわりの角速度ωｘは、Ｙ軸検出時において、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の差として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の差として求めることができる。 First, since the angular velocity ωx around the X axis is detected as a difference between the Z-axis Coriolis forces acting on both weight bodies when detecting the Y-axis, the difference between the capacitance values of the capacitive elements of both weight bodies is detected. Can be sought.
一方、Ｙ軸まわりの角速度ωｙは、Ｘ軸検出時において、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の差として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の差として求めることができる。 On the other hand, the angular velocity ωy about the Y axis is detected as a difference in the Z-axis Coriolis force acting on both weights at the time of X-axis detection. Can be sought.
また、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、Ｘ軸検出時において、両重錘体に作用したＹ軸コリオリ力の差として検出されるので、検出用導電路Ｋｘ１ＡまたはＫｘ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｘ１ＢまたはＫｘ２Ｂに発生する誘導起電力との差として求めることができる。あるいは、検出用導電路Ｋｘ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｘ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の差によって求めることも可能である。更に、このＺ軸まわりの角速度ωｚは、Ｙ軸検出時にも検出可能である。すなわち、Ｚ軸まわりの角速度ωｚは、Ｙ軸検出時において、両重錘体に作用したＸ軸コリオリ力の差として検出されるので、検出用導電路Ｋｙ１ＡまたはＫｙ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｙ１ＢまたはＫｙ２Ｂに発生する誘導起電力との差として求めることができる。あるいは、検出用導電路Ｋｙ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｙ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の差によって求めることも可能である。 Further, since the angular velocity ωz around the Z axis is detected as a difference between the Y axis Coriolis forces acting on both weight bodies at the time of X axis detection, an induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1A or Kx2A, It can be obtained as a difference from the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1B or Kx2B. Alternatively, the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx2A, and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1B and generated in the detection conductive path Kx2B. It is also possible to obtain the difference from the sum of the induced electromotive force. Further, the angular velocity ωz around the Z axis can be detected even when the Y axis is detected. That is, since the angular velocity ωz about the Z axis is detected as a difference between the X axis Coriolis forces acting on both weight bodies at the time of Y axis detection, the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1A or Ky2A, It can be obtained as a difference from the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1B or Ky2B. Alternatively, the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky2A, and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1B and generated in the detection conductive path Ky2B. It is also possible to obtain the difference from the sum of the induced electromotive force.
一方、Ｘ軸方向の加速度αｘは、検出用導電路Ｋｙ１ＡまたはＫｙ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｙ１ＢまたはＫｙ２Ｂに発生する誘導起電力と、の和の微分値として検出することができる。あるいは、検出用導電路Ｋｙ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｙ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｙ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の更なる和の微分値として検出することもできる。 On the other hand, the acceleration αx in the X-axis direction can be detected as a differential value of the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1A or Ky2A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1B or Ky2B. it can. Alternatively, the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky2A, and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Ky1B and generated in the detection conductive path Ky2B. It can also be detected as a differential value of the sum of the induced electromotive force and a further sum of the sum.
また、Ｙ軸方向の加速度αｙは、検出用導電路Ｋｘ１ＡまたはＫｘ２Ａに発生する誘導起電力と、検出用導電路Ｋｘ１ＢまたはＫｘ２Ｂに発生する誘導起電力と、の和の微分値として検出することができる。あるいは、検出用導電路Ｋｘ１Ａに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ａに発生する誘導起電力との和と、検出用導電路Ｋｘ１Ｂに発生する誘導起電力と検出用導電路Ｋｘ２Ｂに発生する誘導起電力との和と、の更なる和の微分値として検出することもできる。 Further, the acceleration αy in the Y-axis direction can be detected as a differential value of the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1A or Kx2A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1B or Kx2B. it can. Alternatively, the sum of the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1A and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx2A, and the induced electromotive force generated in the detection conductive path Kx1B and generated in the detection conductive path Kx2B. It can also be detected as a differential value of the sum of the induced electromotive force and a further sum of the sum.
更に、Ｚ軸方向の加速度αｚは、両重錘体に作用したＺ軸コリオリ力の和として検出されるので、両重錘体の容量素子の静電容量値の和として求めることができる。 Furthermore, since the acceleration αz in the Z-axis direction is detected as the sum of the Z-axis Coriolis forces acting on both weights, it can be obtained as the sum of the capacitance values of the capacitive elements of both weights.
§４． 具体的な実施例（その１）
ここでは、本発明に係る角速度センサの具体的な実施例を述べておく。まず、図２３に示すような断面を有する１枚の基板２００を用意する。図示の断面は、この基板２００を、基板面に平行な面で切断したときに現れる断面であり、境界線Ｗ−Ｗによって右側領域と左側領域との２つの領域に分けられている。これらの領域の構造は、境界線Ｗ−Ｗを対称軸として対称となっており、各領域のそれぞれにおいて、中央に位置する重錘体２１０Ａ，２１０Ｂと、この重錘体の周囲に位置し、可撓性の橋梁構造をもった接続部材２２０とが形成されている。また、基板２００の外周部分はフレーム２３０を形成しており、橋梁構造をもった接続部材２２０により、各重錘体２１０Ａ，２１０Ｂは、フレーム２３０に接続されている。また、重錘体２１０Ａと２１０Ｂとの間は、接続部材２２０および中間部材２４０によって接続されている。接続部材２２０は、可撓性をもった橋梁構造を有しているため、各重錘体２１０Ａ，２１０Ｂは、この橋梁構造の可撓性の範囲内で、フレーム２３０内で所定の自由度をもって運動可能となる。
§4. Specific Example (Part 1)
Here, a specific embodiment of the angular velocity sensor according to the present invention will be described. First, a
図２４は、基板２００を切断線Ｘ−Ｘに沿って切った側断面図である。図示のとおり、フレーム２３０の部分は、他の部分に比べて足桁が高くなっており、台座の働きを果たす。また、基板２００自身は導電性の材料から構成されているが、その上面部分には、絶縁層２０１が形成されている。
FIG. 24 is a side sectional view of the
このような構造をもった基板は、１枚の完全な基板に対してエッチング加工などを施し、所定部分を除去することにより大量生産することができる。この実施例では、Ｐ型またはＮ型の不純物を高濃度にドープしたシリコン基板に、所定のマスクを用いたエッチング加工を施すことにより、図２３に示すような構造をもった基板２００を用意している。橋梁構造の幅をある程度まで細くすると、十分な可撓性をもった接続部材２２０を構成することができ、この可撓性をもった接続部材２２０によって、重錘体２１０Ａ，２１０Ｂを三次元空間内の各軸方向に所定の許容範囲内で運動可能な状態で支持することができる。なお、この基板２００の上面に形成される絶縁層２０１としては、この実施例では酸化シリコン膜を用いている。
A substrate having such a structure can be mass-produced by subjecting one complete substrate to etching or the like and removing a predetermined portion. In this embodiment, a
続いて、このような基板２００の上面に、図２５の上面図に示すように、各導電路２１１Ａ，２１１Ｂと、ボンディングパッド２５０Ａ，２５０Ｂを形成する。すなわち、重錘体２１０Ａの上面には、８本の導電路２１１Ａが形成され、重錘体２１０Ｂの上面には、８本の導電路２１１Ｂが形成される。これらの導電路は、図２１に示されている各励振用導電路および各検出用導電路に相当するものである。なお、図には示されていないが、これら各導電路の両端部と、特定のボンディングパッド２５０Ａ，２５０Ｂとの間には、接続部材２２０上を通る配線が形成されている。
Subsequently, as shown in the top view of FIG. 25,
このような基板２００が用意できたら、この基板２００を利用して、図２６の側断面図に示すような角速度センサを構成する。このセンサの外装は、ベース基板３１０とキャップ部３２０とによって構成されており、これらによって装置筐体が構成されている。ベース基板３１０の上面には、ガラスからなる固定基板３３０が固着されており、上述した基板２００は、この固定基板３３０の上面に固着される。前述したように、基板２００のフレーム２３０は、台座として機能するため、フレーム２３０より内側の部分と、固定基板３３０の上面との間には、所定の空隙が形成される。この空隙は、容量素子を形成するために利用される。すなわち、固定基板３３０の上面には、図示のとおり、電極３３５Ａ，３３５Ｂが形成される。一方、基板２００自身は導電性を有しているため、電極３３５Ａ，３３５Ｂと、基板２００の下面側の対向面とにより、それぞれ容量素子が形成されることになる。これらの容量素子は、図１９に示されている容量素子に相当するものである。
When such a
キャップ部３２０の内側面には、磁石３４０（永久磁石でも電磁石でもよい）が取り付けられており、図の垂直方向に平行な磁束を形成する。この磁石３４０は、図１９に示されている磁石９０に相当するものである。ベース基板３１０には、配線用の孔部が形成されており、この孔部を挿通して、配線ピン３５０Ａ，３５０Ｂが設けられている（実際には、ボンディングパッド２５０Ａ，２５０Ｂに対応した数だけ設けられる）。また、ボンディングパッド２５０Ａ，２５０Ｂと、配線ピン３５０Ａ，３５０Ｂとの間は、ボンディングワイヤ３５５Ａ，３５５Ｂによって接続される。
A magnet 340 (which may be a permanent magnet or an electromagnet) is attached to the inner surface of the
以上のような構成の角速度センサは、図２１に示す角速度センサと同等の動作を行う機能を有し、３軸まわりの角速度と３軸方向の加速度とを検出することが可能である。すなわち、所定の配線ピンに所定の交流信号を供給することにより各重錘体２１０Ａ，２１０Ｂを回転運動させることができ、その状態において、所定の配線ピン間に生じる誘導起電力または所定の配線ピン間の静電容量値を所定の検出タイミングで測定することにより、角速度および加速度の検出が可能になる。
The angular velocity sensor configured as described above has a function of performing an operation equivalent to that of the angular velocity sensor shown in FIG. 21, and can detect angular velocities around three axes and acceleration in three axial directions. That is, by supplying a predetermined AC signal to a predetermined wiring pin, each of the
前述したように、基板２００は、一般的な半導体プロセスにおけるエッチング加工などを利用して構成することができ、この基板２００上の各導電路、ボンディングパッド、基板上の配線などは、印刷の手法を利用して形成することができるので、ここで述べた実施例に係る角速度センサは、大量生産を行う場合に好適である。
As described above, the
§５． 具体的な実施例（その２）
続いて、容量素子により重錘体の駆動および力の検出を行う具体的な実施例を述べる。図２７は、この実施例に係る角速度センサの主要部分の上面図である。ベース基板４００は、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する基板であり、その上面には、図示のとおり、多数の細かな構成要素が配置されている。これらの構成要素は、図示のとおり、境界線Ｗ−Ｗを対称軸として左右対称に配置されており、左側領域４００Ａに配置された構成要素からなる系は、図１に示す角速度センサにおける重錘体１０Ａを用いた第１の検出系と同等の機能を果たし、右側領域４００Ｂに配置された構成要素からなる系は、図１に示す角速度センサにおける重錘体１０Ｂを用いた第２の検出系と同等の機能を果たす。このような２つの検出系を用いた連係動作による角速度および加速度検出の基本原理については既に前節までに述べてあるので、ここでは、左側領域４００Ａに配置された構成要素からなる系についての構造および簡単な動作原理のみを示す。
§5. Specific Example (Part 2)
Subsequently, a specific example in which the weight body is driven and the force is detected by the capacitive element will be described. FIG. 27 is a top view of the main part of the angular velocity sensor according to this embodiment. The
図２８は、ベース基板４００上の左側領域４００Ａに配置された構成要素のみを示す平面図であり、形状の把握を容易にするため、個々の構成要素の部分についてはハッチングを施して示してある（このハッチングは、断面を示すものではない）。多数の構成要素が配置されているため、やや図面が繁雑ではあるが、基本的には、中心部に板状の重錘体（上面から見ると正方形の部分）４１０が配置されており、この重錘体４１０の上辺に突起するように４つの変位電極４２１〜４２４が形成され、下辺に突起するように４つの変位電極４３１〜４３４が形成され、左辺に突起するように４つの変位電極４４１〜４４４が形成され、右辺に突起するように４つの変位電極４５１〜４５４が形成されている。これらの各変位電極に対向するように、上辺近傍に固定電極５２１〜５２４が配置され、下辺近傍に固定電極５３１〜５３４が配置され、左辺近傍に固定電極５４１〜５４４が配置され、右辺近傍に固定電極５５１〜５５４が配置されている。
FIG. 28 is a plan view showing only the components arranged in the
各固定電極５２１〜５５４は、ベース基板４００上に絶縁層を介して固定されている。一方、重錘体４１０は、その四辺の各中央部において、それぞれ可撓性の橋梁構造をもった接続部材４６１〜４６４を介して、固定部材５６１〜５６４に取り付けられており、ベース基板４００の上面と重錘体４１０の下面との間には所定の空隙が形成されている。要するに、板状の重錘体４１０は、四辺の各中央部において、可撓性の橋梁構造をもった接続部材４６１〜４６４によって宙吊り状態で支持されていることになる。このため、重錘体４１０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸（図の紙面に垂直な軸）のいずれの方向についても所定の自由度（接続部材４６１〜４６４の可撓性の範囲内の自由度）をもって運動することが可能である。したがって、各変位電極４２１〜４５４は、重錘体４１０の運動とともに変位することになる。これに対して、各固定電極５２１〜５５４は、ベース基板４００上に固定されており、変位することはない。
Each of the fixed
なお、各固定電極５２１〜５５４の外側部分（ベース基板４００の外周に近い部分）は、ボンディングパッドを形成できるように、内側部分（本来の電極として機能する部分）に比べて、上面から見たときの面積が広くなっている。このような構造を採ることにより、図２７の上面図に示されているように、ベース基板４００の外周に沿って、各固定電極の外側部分が配列されることになり、各固定電極への配線が容易になる。なお、図２８における右辺近傍に配置された固定電極５５１〜５５４については、別途、配線部材５７１〜５７４を設け、配線層で接続するようにしている。これは、右側領域４００Ｂに形成された重錘体の左辺近傍に配置された固定電極についても同様である。また、この実施例では、重錘体４１０は、全体が導電性材料（具体的には、Ｐ型またはＮ型の不純物を高濃度でドープしたシリコン基板）から構成されており、各変位電極４２１〜４５４、各固定電極５２１〜５５４、各固定部材５６１〜５６４、各配線部材５７１〜５７４も、同じ導電性材料から構成されている。したがって、各変位電極４２１〜４５４は電気的にはいずれも等電位となり、固定部材５６１〜５６４は、各変位電極４２１〜４５４に共通した配線用の部材として機能する。実際には、この角速度センサは、固定部材５６１〜５６４を接地電位とし、各変位電極４２１〜４５４を接地レベルに維持した状態で動作させている。
In addition, the outer part of each fixed
図２９は、重錘体４１０の上辺近傍の拡大上面図である。上述したように、重錘体４１０の上辺には、４つの変位電極４２１〜４２４が形成されている。これらの変位電極は、重錘体４１０のＸＺ平面に平行な側面４１１（上面図における重錘体４１０の上辺に相当する側面）に形成された電極であり、その電極面（図２９における各電極の左右の面）は、いずれもＹＺ平面に平行になっている。一方、上述したように、４つの固定電極５２１〜５２４の外側部分（図２９における上方の部分）はボンディングパッドを形成する配線用の部材として機能し、内側部分（図２９における下方の部分）が本来の電極として機能する。すなわち、各固定電極５２１〜５２４の内側部分の電極面（図２９における各電極の下方側部分の左右の面）は、いずれもＹＺ平面に平行になっている。結局、各変位電極４２１〜４２４の電極面も各固定電極５２１〜５２４の電極面も、いずれもＹＺ平面に平行になっており、隣接して配置された変位電極と固定電極とによって容量素子が形成されることになる。すなわち、変位電極４２１と固定電極５２１とによって１つの容量素子が形成され、変位電極４２２と固定電極５２２とによって１つの容量素子が形成され、変位電極４２３と固定電極５２３とによって１つの容量素子が形成され、変位電極４２４と固定電極５２４とによって１つの容量素子が形成される。
FIG. 29 is an enlarged top view in the vicinity of the upper side of the
要するに、重錘体４１０の側面には、複数の変位電極がこの側面の長手方向に並べて配置され、ベース基板４００（装置筐体に固定される）側には、これら複数の変位電極の間に互い違いに挿入されるように複数の固定電極が配置されており、隣接して配置された１枚の変位電極と１枚の固定電極とにより容量素子が形成されている。
In short, on the side surface of the
図３０(a) ，(b) ，(c) は、図２９に示す構造物を、それぞれ切断線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃに沿って切った側断面図である。図３０(a) に示すように、固定電極５２１は、絶縁層６２１を介してベース基板４００上に固定されており、その奥に配置されている変位電極４２１とともに容量素子が形成される。また、重錘体４１０は、ベース基板４００の上方に浮いた状態になっている。図３０(b) には、固定電極５２２の配線用の部材として機能する部分が絶縁層６２２を介してベース基板４００上に固定された状態が示されている。この固定電極５２２は、変位電極４２２とともに容量素子を形成することになり、その奥には、接続部材４６１が示されている。図３０(c) は、接続部材４６１および固定部材５６１の位置における側断面図であり、固定部材５６１が絶縁層６６１を介してベース基板４００上に固定された状態が示されている。接続部材４６１は、可撓性をもった橋梁構造をなし、重錘体４１０が所定の自由度をもって運動することができるように支持している。
30 (a), (b), and (c) are side cross-sectional views of the structure shown in FIG. 29 taken along cutting lines AA, BB, and CC, respectively. As shown in FIG. 30 (a), the fixed
図２９に示す変位電極４２１，４２４および固定電極５２１，５２４は、重錘体４１０を駆動するために用いられ、ここでは駆動用変位電極および駆動用固定電極と呼ぶことにする。一方、変位電極４２２，４２３および固定電極５２２，５２３は、重錘体４１０に作用した力を検出するために用いられ、ここでは検出用変位電極および検出用固定電極と呼ぶことにする。いま、固定部材５６１を電気的な接地レベルに接続すると、重錘体４１０全体が接地レベルとなり、各変位電極も接地レベルとなる。この状態で、駆動用固定電極５２１に所定の電圧を印加すると、駆動用変位電極４２１と駆動用固定電極５２１との間にクーロン引力が作用することになり、重錘体４１０は図の左方向に移動することになる。逆に、駆動用固定電極５２４に所定の電圧を印加すると、駆動用変位電極４２４と駆動用固定電極５２４との間にクーロン引力が作用することになり、重錘体４１０は図の右方向に移動することになる。したがって、駆動用固定電極５２１への電圧印加と駆動用固定電極５２４への電圧印加とを交互に行えば（たとえば、交互にパルス電圧を印加する）、重錘体４１０はＸ軸方向に振動することになる。
The
一方、重錘体４１０に対して、コリオリ力あるいは加速度力が作用して、重錘体４１０が図の左方向（Ｘ軸の正方向）に移動した場合、検出用変位電極４２２と検出用固定電極５２２との電極間隔は減少し、検出用変位電極４２３と検出用固定電極５２３との電極間隔は増大する。よって、前者によって構成される容量素子の静電容量値は増加し、後者によって構成される容量素子の静電容量値は減少する。したがって、両容量素子の静電容量値の差をとることにより、作用したＸ軸正方向の力の大きさを検出することができる。また、重錘体４１０を図の右方向（Ｘ軸の負方向）に移動させる力が作用した場合も、同様に両容量素子の静電容量値の差として作用した力の大きさを検出することができる。しかも、作用した力の方向は、各容量素子の静電容量値が減少するか増加するかによって判断することができる。結局、検出用変位電極４２２と検出用固定電極５２２とによって構成される容量素子と、検出用変位電極４２３と検出用固定電極５２３とによって構成される容量素子と、の静電容量値を電気的に検出することができれば、重錘体４１０に対してＸ軸方向に作用したコリオリ力あるいは加速度力を検出することが可能になる。
On the other hand, when a Coriolis force or an acceleration force acts on the
以上、図２９を用いて、重錘体４１０の上辺近傍に配置された電極を利用して、重錘体４１０をＸ軸方向に駆動する方法および重錘体４１０に作用したＸ軸方向の力を検出する方法について述べたが、重錘体４１０の下辺近傍に配置された電極を利用しても全く同様のことが可能である。すなわち、図２８において、重錘体４１０の下辺近傍に配置された電極のうち、変位電極４３１，４３４および固定電極５３１，５３４を、重錘体４１０を駆動するための駆動用変位電極および駆動用固定電極として用いれば、Ｘ軸方向への駆動が可能になり、変位電極４２２，４２３および固定電極５２２，５２３を、重錘体４１０に作用した力を検出するための検出用変位電極および検出用固定電極として用いれば、Ｘ軸方向に作用した力の検出が可能になる。実際には、重錘体４１０の上辺近傍に配置された電極と下辺近傍に配置された電極との双方を利用して、Ｘ軸方向への駆動およびＸ軸方向に作用した力の検出を行うようにすると、安定した駆動および安定した検出が可能になり好ましい。
As described above, the method of driving the
全く同様にして、Ｙ軸方向への駆動およびＹ軸方向に作用した力の検出も可能である。すなわち、重錘体４１０の左辺近傍に配置された電極のうち、変位電極４４１，４４４および固定電極５４１，５４４を、重錘体４１０を駆動するための駆動用変位電極および駆動用固定電極として用いれば、Ｙ軸方向への駆動が可能になり、変位電極４４２，４４３および固定電極５５２，５５３を、重錘体４１０に作用した力を検出するための検出用変位電極および検出用固定電極として用いれば、Ｙ軸方向に作用した力の検出が可能になる。重錘体４１０の右辺近傍に配置された電極も同等の機能を果たし、実用上は、左辺および右辺に配置された全電極を用いた駆動および検出を行うのが好ましい。
In exactly the same manner, driving in the Y-axis direction and detection of force acting in the Y-axis direction are possible. That is, among the electrodes arranged in the vicinity of the left side of the
また、この実施例では、Ｚ軸方向に作用した力の検出も可能である。上述したように、この実施例では、重錘体４１０は導電性材料の基板で構成されているが、ベース基板４００も同様の導電性材料（不純物をドープしたシリコン基板）で構成されている。したがって、重錘体４１０の下面およびベース基板４００の上面を、それぞれ電極と考えれば、これら両電極によって容量素子が形成されることになる。しかも、重錘体４１０に対してＺ軸方向の力が作用すると、重錘体４１０全体はベース基板４００に対して、離れる方向または近付く方向に変位するため、この容量素子の静電容量は減少するか増加することになる。したがって、この容量素子の静電容量値を検出することにより、Ｚ軸方向に作用した力の検出が可能になる。
In this embodiment, it is also possible to detect a force acting in the Z-axis direction. As described above, in this embodiment, the
結局、この実施例に係る角速度センサでは、重錘体をＸ軸方向に振動させることもできるし、Ｙ軸方向に振動させることもでき、また、両振動を組み合わせることにより、ＸＹ平面に沿った回転運動をさせることもできる。しかも、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に作用した力を検出することもできる。したがって、前節までに述べた角速度センサと同様に、３軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚと、３軸まわりの加速度αｘ，αｙ，αｚを検出することが可能である。 Eventually, in the angular velocity sensor according to this embodiment, the weight body can be vibrated in the X-axis direction, can be vibrated in the Y-axis direction, or along the XY plane by combining both vibrations. It can also be rotated. In addition, it is possible to detect forces acting in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. Accordingly, it is possible to detect the angular velocities ωx, ωy, ωz around the three axes and the accelerations αx, αy, αz around the three axes as in the angular velocity sensor described up to the previous section.
なお、本実施例においては、同一の容量素子を形成する変位電極と固定電極との電極間隔が、同一の容量素子を形成しない変位電極と固定電極との電極間隔よりも小さくなるように設定するのが好ましい。たとえば、図３１は、図２９と同様に、重錘体４１０の上辺近傍の拡大上面図であるが、ここで、駆動用変位電極４２１と駆動用固定電極５２１との間隔ｄ１（角速度や加速度が作用していない状態での間隔）は、駆動用変位電極４２１と検出用固定電極５２２との間隔ｄ２よりも小さく設定されている。これは、この角速度センサの動作上、駆動用変位電極４２１と駆動用固定電極５２１とによって１つの容量素子が形成されることを配慮したためである。すなわち、変位電極４２１にとって、容量素子を形成するためのパートナーとなる電極は固定電極５２１であるため、このパートナーとなる電極５２１に対する距離ｄ１を、パートナーとはならない電極５２２に対する距離ｄ２よりも小さく設定することにより、効率的な動作を行わせることが可能になる。
In the present embodiment, the electrode interval between the displacement electrode and the fixed electrode forming the same capacitive element is set to be smaller than the electrode interval between the displacement electrode and the fixed electrode not forming the same capacitive element. Is preferred. For example, FIG. 31 is an enlarged top view in the vicinity of the upper side of the
このような電極間距離設定は、特に、隣接配置された複数の電極によって同一の機能を分担させるような設計を行った場合に重要である。たとえば、図３２に上面図を示す例は、駆動用変位電極４２１を、隣接配置された２つの電極４２１ａ，４２１ｂによって構成し、駆動用固定電極５２１を、隣接配置された２つの電極５２１ａ，５２１ｂによって構成し、検出用変位電極４２２を、隣接配置された２つの電極４２２ａ，４２２ｂによって構成し、検出用固定電極５２２を、隣接配置された２つの電極５２２ａ，５２２ｂによって構成した例である。このように、重錘体４１０をより効率的に運動させ、これに作用した力をより効率的に検出するためには、同等の機能を果たす電極を多数配置するのが好ましい。図３２の例では、同一の機能を果たす電極を２つだけ隣接配置しているが、実用上は、より多数の電極を隣接配置するのが好ましい。
Such inter-electrode distance setting is particularly important when a design is performed in which the same function is shared by a plurality of adjacently arranged electrodes. For example, in the example shown in the top view in FIG. 32, the driving
さて、このように同一機能を果たす電極が隣接配置されている場合、上述したような電極間距離設定がなされていないと、正しい動作が期待できない。たとえば、図３２において、重錘体４１０を左方向に移動させるためには、重錘体４１０を接地レベルに維持した状態で、駆動用固定電極５２１ａ，５２１ｂに所定の電圧を印加することになる。このとき、図示のように、駆動用変位電極４２１ａは、その左側に位置する駆動用固定電極５２１ａの方に近くなるように配置されているので、電極５２１ａと電極４２１ａとの間に作用するクーロン引力の方が、電極５２１ｂと電極４２１ａとの間に作用するクーロン力よりも大きくなり、電極４２１ａは図の左方向へと移動することができる。もし、電極４２１ａが、電極５２１ａと電極５２１ｂとの中間位置に配置されていると、左右から等しいクーロン引力が作用し、正しい動作を行うことができなくなる。検出用電極についても同様の理由から、容量素子を形成するパートナーとなる電極同士の距離を短く設定するようにする。
When electrodes having the same function are arranged adjacent to each other as described above, correct operation cannot be expected unless the inter-electrode distance is set as described above. For example, in FIG. 32, in order to move the
最後に、上述した構造を有する角速度センサを大量生産するためのより具体的な工夫を述べる。まず、図２７に示す角速度センサにおけるベース基板４００および重錘体４１０は、いずれも導電性材料で構成しておくと、配線が単純になる。特に、ベース基板４００および重錘体４１０を、導電性の半導体基板（たとえば、不純物をドープしたシリコン基板）で構成すると、一般的な半導体加工プロセスを利用することができるため、実用的な量産工程への適用が容易になる。通常、このような半導体加工プロセスでは、１枚の半導体ウエハから、多数の半導体ペレットを切り出し、これを１つの製品として利用する。たとえば、図２７に示すような構造を半導体加工プロセスで量産する場合、図３３に示すようなシリコンウエハ上に多数の区画を定義し（図では、１つの区間をハッチング表示している）、個々の区画をベース基板４００として利用することになる。実際には、図２７に示す細かな構造体のすべてをシリコンウエハ上の個々の区画上に形成し、最終的に、このシリコンウエハをダイシングして、個々の区画ごとに分離して利用することになる。
Finally, a more specific device for mass-producing angular velocity sensors having the above-described structure will be described. First, if both the
ただ、半導体加工プロセスにおけるダイシング工程は、通常、ダイシングブレードを用いた機械的な切断工程になるため、細かな削りかすが発生する。このような削りかすが、図２７に示す細かな構造体の上に堆積すると、電極間の短絡などが発生する要因になり好ましくない。このような問題に対処するためには、図３４に示すような保護基板７００を用いるようにするとよい。この保護基板７００は、ベース基板４００と同じ大きさの矩形基板であり、ここに示す例では、絶縁性の基板（たとえば、酸化シリコン、ガラスなどを用いればよい）によって保護基板７００を構成している。この保護基板７００には、多数の配線用開口窓７０１が形成されている。これらの開口窓は、図２７に示す各固定電極５２１〜５５４、固定部材５６１〜５６４、配線部材５７１〜５７４に対する配線を行うために用いられ、これらの位置に合わせた貫通孔として、各配線用開口窓７０１が形成されている。
However, since the dicing process in the semiconductor processing process is usually a mechanical cutting process using a dicing blade, fine shavings are generated. If such shavings are deposited on the fine structure shown in FIG. 27, it may cause a short circuit between the electrodes, which is not preferable. In order to cope with such a problem, a
図３５は、図３４に示す保護基板７００を、図２７に示す構造体の上に固定した状態を示す上面図である。ベース基板４００上に形成された細かな構造体は、すべて保護基板７００によって覆われて保護された状態になっているが、必要な配線は、配線用開口窓７０１の部分から行うことができるようになっている。ベース基板４００上に保護基板７００を固定するために、フレーム状の側壁部７５０が形成されている。この側壁部７５０は、ベース基板４００の外周部に沿って配置された壁であり、ベース基板４００と保護基板７００とは、互いに所定間隔をおいて平行に配置された状態において、この側壁部７５０によって外周部を互いに接続された状態になる。結局、ベース基板４００、側壁部７５０、保護基板７００によって囲まれた部分として、検出動作空間が形成されることになり、重錘体４１０Ａ，４１０Ｂは、この検出動作空間内に収容された状態になる。
FIG. 35 is a top view showing a state in which the
図３６は、図３５に示す角速度センサを切断線Ａ−Ａで切断した断面を拡大して示す側断面図である。ベース基板４００の左端部には、側壁部７５０が絶縁層７５５上に形成された状態を示されている。絶縁層７５５は、このセンサの動作上、特に必要な層ではないが、絶縁層６４３を形成する工程で、一緒に形成される層である。もちろん、絶縁層７５５を形成せずに、ベース基板４００上に側壁部７５０を直接形成するようにしてもかまわない。この図３６に示す実施形態では、図３０に示す実施形態に比べて、固定電極５４３の厚みを若干厚く設定してある。すなわち、各固定電極５２１〜５５４、固定部材５６１〜５６４、配線部材５７１〜５７４は、いずれも側壁部７５０と同じ厚みに設定されており、これらの上面には、保護基板７００が密着した状態で接続されている。この接続には、たとえば、陽極接合や低融点ガラスを用いた接合などが可能である。このような接合を行うと、検出動作空間を密閉状態に維持することができ、また、必要に応じて、この検出動作空間内を真空状態にすることも可能になる。
FIG. 36 is an enlarged side cross-sectional view of the cross section of the angular velocity sensor shown in FIG. 35 cut along a cutting line AA. A state in which a
一方、重錘体４１０の上面は、図３６に示すように、保護基板７００の下面との間に所定間隔を維持した状態となる。したがって、重錘体４１０は、検出動作空間内で所定の自由度をもって運動可能である。特に、検出動作空間内を真空状態にした場合、重錘体４１０をその共振点で効率良く振動させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 36, the upper surface of the
この実施形態では、重錘体４１０の上面と保護基板７００の下面との間隔、および重錘体４１０の下面とベース基板４００の上面との間隔を、所定の寸法値に設定することにより、ベース基板４００および保護基板７００が、重錘体４１０の運動を制御する制御部材として機能するようにしている。すなわち、このセンサの検出対象となる範囲を越えた過度に大きな角速度または加速度が作用した場合、重錘体４１０は、この作用した角速度または加速度に応じて大きな運動を行うことになる。ところが、重錘体４１０が何ら制限を受けずに過度の運動を行うと、可撓性橋梁構造を有する接続部材４６１〜４６４が破損するおそれがある。そこで、重錘体４１０に過度の力が加わった場合、ベース基板４００あるいは保護基板７００に接触して、その運動が妨げられるように、重錘体４１０と各基板間との距離を設定するようにしている。
In this embodiment, the distance between the upper surface of the
なお、検出動作空間内の各固定電極５２１〜５５４、固定部材５６１〜５６４、配線部材５７１〜５７４への配線は、配線用開口窓７０１を通して行うことができる。たとえば、図３６には、固定電極５４３に対して配線を行った状態が示されている。固定電極５４３の上面の一部分は、配線用開口窓７０１によって外部に露出した状態となっているので、この露出面に、この例ではアルミニウムからなるボンディングパッド７０２を形成し、このボンディングパッド７０２にボンディングワイヤ７０３を接続するようにしている。固定電極５４３は、配線用開口窓７０１を内側から塞ぐように配置されているため、配線用開口窓７０１が存在していても、検出動作空間の密閉状態はそのまま維持される。
Wiring to the fixed
以上、本発明を図示する実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。特に、本発明は、１軸まわりの角速度を検出する１軸角速度センサとしても利用できるし、３軸まわりの角速度および３軸方向の加速度を検出することができる６軸の角速度／加速度センサとしても利用できる。もちろん、２〜５軸のセンサとして利用してもかまわない。また、上述の実施形態では、励起用導電路に電流を供給することにより重錘体を運動させる例を示したが、重錘体を運動させる手法は、このような方法に限定されるものではない。更に、上述の実施形態では、検出用導電路に生じる誘導起電力または容量素子の静電容量の変化によって、重錘体に作用した力を検出する例を示したが、重錘体に作用した力を検出する手法は、このような方法に限定されるものではない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment shown in figure, this invention is not limited to these embodiment, In addition, it can implement in a various aspect. In particular, the present invention can be used as a uniaxial angular velocity sensor that detects angular velocity around one axis, or as a six-axis angular velocity / acceleration sensor that can detect angular velocity around three axes and acceleration in three axes. Available. Of course, it may be used as a 2-5 axis sensor. In the above-described embodiment, the example in which the weight body is moved by supplying a current to the excitation conductive path has been described. However, the method for moving the weight body is not limited to such a method. Absent. Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the force acting on the weight body is detected by the induced electromotive force generated in the detection conductive path or the change in the capacitance of the capacitive element has been shown. The method for detecting the force is not limited to such a method.
１０：重錘体
１０Ａ：第１の重錘体
１０Ｂ：第２の重錘体
２０：接続部材
２５：接続部材
３０：装置筐体
４０Ａ，４０Ｂ：Ｘ軸方向駆動手段
５１Ａ，５１Ｂ：Ｘ軸方向力検出手段
５２Ａ，５２Ｂ：Ｙ軸方向力検出手段
５３Ａ，５３Ｂ：Ｚ軸方向力検出手段
６１Ａ，６１Ｂ：Ｙ軸方向信号分離手段
６２Ａ，６２Ｂ：Ｚ軸方向信号分離手段
７１Ａ，７１Ｂ：加速度演算手段
７２Ａ，７２Ｂ：加速度演算手段
７３Ａ，７３Ｂ：角速度演算手段
７４Ａ，７４Ｂ：加速度演算手段
７５Ａ，７５Ｂ：角速度演算手段
８０：対向面
９０：磁石／電磁石
１００：磁界発生手段
１４０Ａ，１４０Ｂ：回転駆動手段
１５１Ａ，１５１Ｂ：Ｘ軸方向力検出手段
１５２Ａ，１５２Ｂ：Ｙ軸方向力検出手段
１５３Ａ，１５３Ｂ：Ｚ軸方向力検出手段
１６１Ａ，１６１Ｂ：Ｘ軸方向信号分離手段
１６２Ａ，１６２Ｂ：Ｙ軸方向信号分離手段
１６３Ａ，１６３Ｂ：Ｚ軸方向信号分離手段
１７１Ａ，１７１Ｂ：加速度演算手段
１７２Ａ，１７２Ｂ：角速度演算手段
１７３Ａ，１７３Ｂ：加速度演算手段
１７４Ａ，１７４Ｂ：角速度演算手段
１７５Ａ，１７５Ｂ：加速度演算手段
１７６Ａ，１７６Ｂ：角速度演算手段
２００：基板
２０１：絶縁層
２１０Ａ，２１０Ｂ：重錘体
２１１Ａ，２１１Ｂ：導電路
２２０：可撓性の橋梁構造をもった接続部材
２３０：フレーム
２４０：中間部材
２５０Ａ，２５０Ｂ：ボンディングパッド
３１０：ベース基板
３２０：キャップ部
３３０：固定基板
３４０：磁石／電磁石
３５０Ａ，３５０Ｂ：配線ピン
３５５Ａ，３５５Ｂ：ボンディングワイヤ
４００：ベース基板
４００Ａ：左側領域
４００Ｂ：右側領域
４１０：重錘体
４１１：重錘体の側面
４２１〜４５４：変位電極（駆動用変位電極および検出用変位電極）
４６１〜４６４：接続部材
４２１ａ，４２１ｂ，４２２ａ，４２２ｂ：変位電極（駆動用変位電極および検出用変位電極）
５２１〜５５４：固定電極（駆動用固定電極および検出用固定電極）
５２１ａ，５２１ｂ，５２２ａ，５２２ｂ：固定電極（駆動用固定電極および検出用固定電極）
５６１〜５６４：固定部材
５７１〜５７４：配線部材
６２１，６２２，６６１：絶縁層
７００：保護基板
７０１：配線用開口窓
７０２：ボンディングパッド
７０３：ボンディングワイヤ
７５０：側壁部
７５５：絶縁層
ｄ１，ｄ２：電極間距離
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１Ａ，Ｅ１Ｂ，Ｅ２Ａ，Ｅ２Ｂ：電極
Ｆｘ（Ａ：ωｚ）：角速度ωｚが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｘ（Ｂ：ωｚ）：角速度ωｚが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＸ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｙ（Ａ：ωｚ）：角速度ωｚが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＹ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｙ（Ｂ：ωｚ）：角速度ωｚが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＹ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｚ（Ａ：ωｘ）：角速度ωｘが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｚ（Ｂ：ωｘ）：角速度ωｘが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｚ（Ａ：ωｙ）：角速度ωｙが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
Ｆｚ（Ｂ：ωｙ）：角速度ωｙが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＺ軸方向に作用するコリオリ力
ｆｘ（Ａ）：加速度αｘが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＸ軸方向に作用する加速度力
ｆｘ（Ｂ）：加速度αｘが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＸ軸方向に作用する加速度力
ｆｙ（Ａ）：加速度αｙが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＹ軸方向に作用する加速度力
ｆｙ（Ｂ）：加速度αｙが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＹ軸方向に作用する加速度力
ｆｚ（Ａ）：加速度αｚが作用したときに第１の重錘体１０Ａに対してＺ軸方向に作用する加速度力
ｆｚ（Ｂ）：加速度αｚが作用したときに第２の重錘体１０Ｂに対してＺ軸方向に作用する加速度力
Ｇ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａの重心
Ｇ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂの重心
Ｉｘ，Ｉｙ：駆動用交流電流
Ｊ：接続点
Ｋｘ１，Ｋｘ２，Ｋｙ１，Ｋｙ２：検出用導電路
Ｋｘ１Ａ，Ｋｘ２Ａ，Ｋｙ１Ａ，Ｋｙ２Ａ：検出用導電路
Ｋｘ１Ｂ，Ｋｘ２Ｂ，Ｋｙ１Ｂ，Ｋｙ２Ｂ：検出用導電路
Ｌｘ１，Ｌｘ２：励振用導電路
Ｌｘ１Ａ，Ｌｘ２Ａ，Ｌｙ１Ａ，Ｌｙ２Ａ：励振用導電路
Ｌｘ１Ｂ，Ｌｘ２Ｂ，Ｌｙ１Ｂ，Ｌｙ２Ｂ：励振用導電路
Ｏａ，Ｏｂ：座標系の原点
Ｐ１（Ａ）〜Ｐ４（Ａ）：重心Ｇ（Ａ）の位置
Ｐ１（Ｂ）〜Ｐ４（Ｂ）：重心Ｇ（Ｂ）の位置
ｔ０〜ｔ４：時刻
Ｕｘ（Ａ）：第１の重錘体１０ＡのＸ軸方向への振動
Ｕｘ（Ｂ）：第２の重錘体１０ＢのＸ軸方向への振動
Ｕｙ（Ａ）：第１の重錘体１０ＡのＹ軸方向への振動
Ｕｙ（Ｂ）：第２の重錘体１０ＢのＹ軸方向への振動
Ｖｘ（Ａ）：第１の重錘体１０ＡのＸ軸方向速度
Ｖｘ（Ｂ）：第２の重錘体１０ＢのＸ軸方向速度
Ｗ：境界線
Ｘ＋（Ａ），Ｘ０（Ａ），Ｘ−（Ａ）：重心Ｇ（Ａ）の位置
Ｘ＋（Ａ），Ｘ０（Ａ），Ｘ−（Ａ）：重心Ｇ（Ｂ）の位置
Ｙ＋（Ａ），Ｙ０（Ａ），Ｙ−（Ａ）：重心Ｇ（Ａ）の位置
Ｙ＋（Ａ），Ｙ０（Ａ），Ｙ−（Ａ）：重心Ｇ（Ｂ）の位置
αｘ：Ｘ軸方向の加速度
αｙ：Ｙ軸方向の加速度
αｚ：ｚ軸方向の加速度
ωｘ：Ｘ軸まわりの角速度
ωｙ：Ｙ軸まわりの角速度
ωｚ：ｚ軸まわりの角速度
αｘ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＸ軸方向の加速度
αｙ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＸ軸方向の加速度
αｚ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＸ軸方向の加速度
ωｘ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＸ軸まわりの角速度
ωｙ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＹ軸まわりの角速度
ωｚ（Ａ）：第１の重錘体１０Ａによって検出されたＺ軸まわりの角速度
αｘ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＸ軸方向の加速度
αｙ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＸ軸方向の加速度
αｚ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＸ軸方向の加速度
ωｘ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＸ軸まわりの角速度
ωｙ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＹ軸まわりの角速度
ωｚ（Ｂ）：第２の重錘体１０Ｂによって検出されたＺ軸まわりの角速度
φｚ：Ｚ軸方向を向いた平行磁束
10: weight body 10A: first weight body 10B: second weight body 20: connection member 25: connection member 30: apparatus housing 40A, 40B: X-axis direction driving means 51A, 51B: X-axis direction Force detection means 52A, 52B: Y-axis direction force detection means 53A, 53B: Z-axis direction force detection means 61A, 61B: Y-axis direction signal separation means 62A, 62B: Z-axis direction signal separation means 71A, 71B: Acceleration calculation means 72A, 72B: Acceleration calculation means 73A, 73B: Angular velocity calculation means 74A, 74B: Acceleration calculation means 75A, 75B: Angular velocity calculation means 80: Opposing surface 90: Magnet / electromagnet 100: Magnetic field generation means 140A, 140B: Rotation drive means 151A 151B: X-axis direction force detection means 152A, 152B: Y-axis direction force detection means 153A, 153B: Z-axis direction force detection means 161A, 161B: Axial signal separating means 162A, 162B: Y-axis direction signal separating means 163A, 163B: Z-axis direction signal separating means 171A, 171B: Acceleration calculating means 172A, 172B: Angular velocity calculating means 173A, 173B: Acceleration calculating means 174A, 174B: Angular velocity calculating means 175A, 175B: acceleration calculating means 176A, 176B: angular velocity calculating means 200: substrate 201: insulating layer 210A, 210B: weight body 211A, 211B: conductive path 220: connecting member having flexible bridge structure 230: Frame 240: Intermediate member 250A, 250B: Bonding pad 310: Base substrate 320: Cap portion 330: Fixed substrate 340: Magnet / electromagnet 350A, 350B: Wiring pins 355A, 355B: Bonding wire 400: Base substrate 400A: Left region 00B: right area 410: the weight body 411: side surface of the weight body 421 to 454: displacement electrode (driving displacement electrode and the detection displacement electrode)
461-464:
521 to 554: Fixed electrode (fixed electrode for driving and fixed electrode for detection)
521a, 521b, 522a, 522b: fixed electrode (fixed electrode for driving and fixed electrode for detection)
561 to 564: fixing members 571 to 574: wiring members 621, 622, 661: insulating layer 700: protective substrate 701: wiring opening window 702: bonding pad 703: bonding wire 750: sidewall 755: insulating layers d1, d2: Interelectrode distances E1, E2, E1A, E1B, E2A, E2B: Electrode Fx (A: ωz): Coriolis force Fx acting in the X-axis direction on the first weight body 10A when the angular velocity ωz acts B: ωz): Coriolis force Fy acting in the X-axis direction on the second weight body 10B when the angular velocity ωz acts (A: ωz): the first weight body when the angular velocity ωz acts Coriolis force Fy (B: ωz) acting in the Y-axis direction on 10A: Coriolis force Fz (A: ωx) acting in the Y-axis direction on the second weight body 10B when the angular velocity ωz acts Coriolis force Fz (B: ωx) acting in the Z-axis direction on the first weight body 10A when the angular velocity ωx acts: Z against the second weight body 10B when the angular velocity ωx acts Coriolis force Fz (A: ωy) acting in the axial direction: Coriolis force Fz (B: ωy) acting in the Z-axis direction on the first weight body 10A when the angular velocity ωy is applied: Angular velocity ωy is acting Coriolis force fx (A) acting on the second weight body 10B in the Z-axis direction: acceleration acting on the first weight body 10A in the X-axis direction when the acceleration αx acts Force fx (B): acceleration force fy (A) acting on the second weight body 10B in the X-axis direction when the acceleration αx is applied fy (A): first weight body 10A when the acceleration αy is applied Acceleration force fy (B) acting in the Y-axis direction on the axis: acceleration αy acts Acceleration force fz (A) acting on the second weight body 10B in the Y-axis direction: acceleration acting on the first weight body 10A in the Z-axis direction when the acceleration αz acts Force fz (B): Acceleration force G (A) acting in the Z-axis direction on the second weight body 10B when the acceleration αz is applied: Center of gravity G (B) of the first weight body 10A: Center of gravity Ix, Iy of second weight body 10B: AC current for driving J: Connection points Kx1, Kx2, Ky1, Ky2: Conductive paths for detection Kx1A, Kx2A, Ky1A, Ky2A: Conductive paths for detection Kx1B, Kx2B, Ky1B , Ky2B: detection conductive paths Lx1, Lx2: excitation conductive paths Lx1A, Lx2A, Ly1A, Ly2A: excitation conductive paths Lx1B, Lx2B, Ly1B, Ly2B: excitation conductive paths Oa, Ob: origin P1 of the coordinate system (A ) ~ P4 ( ): Positions P1 (B) to P4 (B) of the center of gravity G (A): Positions t0 to t4 of the center of gravity G (B): Time Ux (A): Vibration of the first weight body 10A in the X-axis direction Ux (B): Vibration of the second weight body 10B in the X-axis direction Uy (A): Vibration of the first weight body 10A in the Y-axis direction Uy (B): Second weight body 10B Vibration in the Y-axis direction Vx (A): X-axis direction speed Vx (B) of the first weight body 10A: X-axis direction speed W of the second weight body 10B: Boundary line X + (A), X0 (A), X- (A): Position X + (A), X0 (A), X- (A) of the center of gravity G (A) Y + (A), Y0 (A) of the center of gravity G (B) , Y- (A): position Y + (A) of the center of gravity G (A), Y0 (A), Y- (A): position of the center of gravity G (B) αx: acceleration in the X-axis direction αy: in the Y-axis direction Acceleration αz: Acceleration in z-axis direction ωx: Around X axis Angular velocity ωy: angular velocity ωz around the Y-axis: angular velocity αx (A) around the z-axis: X-axis direction acceleration αy (A) detected by the first weight body 10A: by the first weight body 10A Detected acceleration αz (A) in the X-axis direction: Acceleration in the X-axis direction detected by the first weight body 10A ωx (A): Angular velocity around the X-axis detected by the first weight body 10A ωy (A): angular velocity around the Y axis detected by the first weight body 10A ωz (A): angular velocity around the Z axis detected by the first weight body 10A αx (B): second X-axis direction acceleration αy (B) detected by the weight body 10B: X-axis direction acceleration αz (B) detected by the second weight body 10B: detected by the second weight body 10B X-axis direction acceleration ωx (B): By the second weight body 10B Detected angular velocity ωy (B) around the X axis: Angular velocity ωz (B) around the Y axis detected by the second weight body 10B: Angular velocity around the Z axis detected by the second weight body 10B φz: Parallel magnetic flux oriented in the Z-axis direction
Claims (14)
前記三次元直交座標系の空間内で運動可能な第１の重錘体および第２の重錘体と、
前記２つの重錘体を収容する装置筐体と、
前記第１の重錘体を、前記装置筐体に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する可撓性をもった第１の接続部材と、
前記第２の重錘体を、前記装置筐体に対して、所定の自由度をもって運動可能となるように接続する可撓性をもった第２の接続部材と、
前記第１の重錘体と前記第２の重錘体とを接続する可撓性をもった第３の接続部材と、
少なくとも所定の検出時において、前記第１の重錘体が前記Ｘ軸の正方向の速度成分をもって運動し、前記第２の重錘体が前記Ｘ軸の負方向の速度成分をもって運動するように、前記第１の重錘体および前記第２の重錘体を前記装置筐体内で運動させる駆動手段と、
前記検出時に前記Ｙ軸まわりの角速度が作用していた場合に、前記第１の重錘体に対して前記Ｚ軸方向に作用する第１のＺ軸コリオリ力を検出する第１のコリオリ力検出手段と、
前記検出時に前記Ｙ軸まわりの角速度が作用していた場合に、前記第２の重錘体に対して前記Ｚ軸方向に作用する第２のＺ軸コリオリ力を検出する第２のコリオリ力検出手段と、
前記第１のＺ軸コリオリ力と前記第２のＺ軸コリオリ力との差に基づいて、作用したＹ軸まわりの角速度を求める演算手段と、
を備え、少なくともＹ軸まわりの角速度を検出する機能をもち、
前記各重錘体上には、励振用導電路と検出用導電路とが形成されており、
前記励振用導電路および前記検出用導電路が位置する空間に、これら両導電路に対して磁束が平行にはならないような磁界を発生させる磁界発生手段が設けられており、
前記駆動手段は、前記励振用導電路と前記磁界発生手段とを利用して構成され、前記励振用導電路に電流を供給することにより、この電流と前記磁界との相互作用に基づくローレンツ力によって前記各重錘体を運動させ、
前記各コリオリ力検出手段は、前記検出用導電路と前記磁界発生手段とを利用して構成され、前記検出用導電路に発生する誘導起電力に基づいて前記各重錘体に作用するコリオリ力を検出し、
前記各重錘体は、前記ＸＹＺ三次元直交座標系のＸＹ平面内に上面が含まれる基板からなり、
前記各重錘体のそれぞれについて、上面の中央部に原点Ｏを定義した場合に、
Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差する第１の導電路と、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差する第２の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差する第３の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差する第４の導電路と、により前記励振用導電路が構成され、
Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の負の部分に交差する第５の導電路と、Ｘ軸に沿って伸び、Ｙ軸の正の部分に交差する第６の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の負の部分に交差する第７の導電路と、Ｙ軸に沿って伸び、Ｘ軸の正の部分に交差する第８の導電路と、により前記検出用導電路が構成されていることを特徴とする角速度センサ。 An angular velocity sensor that detects an angular velocity around at least one of an X axis, a Y axis, and a Z axis defined in an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system,
A first weight body and a second weight body movable in the space of the three-dimensional orthogonal coordinate system;
An apparatus housing for housing the two weight bodies;
A first connecting member having flexibility for connecting the first weight body to the device housing so as to be movable with a predetermined degree of freedom;
A flexible second connecting member for connecting the second weight body to the device housing so as to be movable with a predetermined degree of freedom;
A third connecting member having flexibility for connecting the first weight body and the second weight body;
At least at the predetermined detection time, the first weight body moves with a velocity component in the positive direction of the X axis, and the second weight body moves with a velocity component in the negative direction of the X axis. Driving means for moving the first weight body and the second weight body in the device housing;
A first Coriolis force detection that detects a first Z-axis Coriolis force acting in the Z-axis direction on the first weight body when an angular velocity around the Y-axis is acting at the time of the detection. Means,
A second Coriolis force detection for detecting a second Z-axis Coriolis force acting in the Z-axis direction on the second weight body when an angular velocity around the Y-axis is acting at the time of the detection. Means,
An arithmetic means for obtaining an angular velocity around the applied Y axis based on a difference between the first Z-axis Coriolis force and the second Z-axis Coriolis force;
It has a function to detect at least the angular velocity around the Y axis ,
An excitation conductive path and a detection conductive path are formed on each weight body,
In the space where the excitation conductive path and the detection conductive path are located, magnetic field generating means for generating a magnetic field so that the magnetic flux is not parallel to both the conductive paths is provided,
The driving means is configured by using the excitation conductive path and the magnetic field generating means, and by supplying a current to the excitation conductive path, a Lorentz force based on an interaction between the current and the magnetic field is used. Move each of the weights,
Each Coriolis force detection means is configured using the detection conductive path and the magnetic field generation means, and Coriolis force acting on each weight body based on an induced electromotive force generated in the detection conductive path. Detect
Each of the weight bodies is composed of a substrate whose upper surface is included in the XY plane of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system,
For each of the weights, when the origin O is defined at the center of the upper surface,
A first conductive path extending along the X axis and intersecting the negative part of the Y axis, a second conductive path extending along the X axis and intersecting the positive part of the Y axis, and along the Y axis The excitation conductive path is constituted by the third conductive path extending along the negative part of the X axis and the fourth conductive path extending along the Y axis and crossing the positive part of the X axis. And
A fifth conductive path extending along the X axis and intersecting the negative part of the Y axis, a sixth conductive path extending along the X axis and intersecting the positive part of the Y axis, and along the Y axis The detection conductive path is constituted by a seventh conductive path extending along the negative part of the X-axis and an eighth conductive path extending along the Y-axis and crossing the positive part of the X-axis. An angular velocity sensor.
第１のコリオリ力検出手段が、所定の検出時にＺ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対してＹ軸方向に作用する第１のＹ軸コリオリ力を検出する機能を更に有し、
第２のコリオリ力検出手段が、前記所定の検出時にＺ軸まわりの角速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対してＹ軸方向に作用する第２のＹ軸コリオリ力を検出する機能を更に有し、
演算手段が、前記第１のＹ軸コリオリ力と前記第２のＹ軸コリオリ力との差に基づいて、作用したＺ軸まわりの角速度を求める機能を更に有し、
Ｙ軸まわりの角速度とともにＺ軸まわりの角速度を検出する機能をもつことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
The first Coriolis force detecting means detects the first Y-axis Coriolis force acting in the Y-axis direction with respect to the first weight body when an angular velocity around the Z-axis is acting at a predetermined detection time. Has the function of
When the second Coriolis force detecting means is acting on the second weight body in the Y-axis direction when an angular velocity around the Z-axis is acting at the predetermined detection time, the second Y-axis Coriolis force acting on the second weight body is obtained. A function to detect,
The calculation means further has a function of obtaining an angular velocity around the applied Z axis based on a difference between the first Y axis Coriolis force and the second Y axis Coriolis force,
An angular velocity sensor having a function of detecting an angular velocity around the Z axis together with an angular velocity around the Y axis.
駆動手段が、第１の重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させる第１のＸ軸方向駆動手段と、第２の重錘体をＸ軸方向に沿って往復運動させる第２のＸ軸方向駆動手段と、を有し、前記第１の重錘体の往復運動と前記第２の重錘体の往復運動とが、周期が同一で位相が反転したものとなるようにしたことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1 or 2,
The driving means reciprocates the first weight body along the X-axis direction, and the second X-axis movement means reciprocates the second weight body along the X-axis direction. An axial direction drive means, wherein the reciprocating motion of the first weight body and the reciprocating motion of the second weight body have the same period and the phase is reversed. A featured angular velocity sensor.
装置筐体内を、所定の境界面を境として右側領域と左側領域とに分けたときに、駆動手段による運動が行われていない状態において、
第１の重錘体と第２の重錘体とは、前記境界面に関して互いに対称な構造をなし、
第１の接続部材と第２の接続部材とは、前記境界面に関して互いに対称な構造をなし、
第３の接続部材は、前記右側領域から前記境界面を跨いで前記左側領域へと連なり、前記境界面に関して対称構造をなすことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 3,
When the inside of the device casing is divided into a right side region and a left side region with a predetermined boundary surface as a boundary, in a state where the movement by the driving means is not performed,
The first weight body and the second weight body have a symmetric structure with respect to the boundary surface,
The first connecting member and the second connecting member have a symmetric structure with respect to the boundary surface,
An angular velocity sensor, wherein the third connecting member extends from the right region to the left region across the boundary surface and has a symmetrical structure with respect to the boundary surface.
第３の接続部材が、
駆動手段による運動が行われていない状態において境界面上に配置され、前記境界面に関して対称構造をなす中間部材と、
前記中間部材と第１の重錘体とを接続する可撓性を有する橋梁構造体と、
前記中間部材と第２の重錘体とを接続する可撓性を有する橋梁構造体と、
を有することを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 4,
The third connecting member is
An intermediate member disposed on the boundary surface in a state in which no movement by the driving means is performed, and having a symmetric structure with respect to the boundary surface;
A flexible bridge structure connecting the intermediate member and the first weight body;
A flexible bridge structure connecting the intermediate member and the second weight body;
An angular velocity sensor comprising:
第１の重錘体および第２の重錘体が、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する板状構造体によって構成されていることを特徴とする角速度センサ。 In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 5,
An angular velocity sensor, wherein the first weight body and the second weight body are configured by a plate-like structure having an upper surface and a lower surface parallel to the XY plane.
検出時にＸ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｘ軸方向に作用する第１のＸ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＸ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｘ軸方向に作用する第２のＸ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、前記第１の加速度力と前記第２の加速度力との和に基づいて、作用したＸ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有することを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。 In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 6,
A first X-axis acceleration force that acts on the first weight body in the X-axis direction due to the acceleration when an acceleration in the X-axis direction is acting at the time of detection is detected. Acceleration force detection means;
A second X-axis acceleration force that acts on the second weight body in the X-axis direction due to the acceleration when an acceleration in the X-axis direction is acting at the time of detection is detected. Acceleration force detection means;
Further provided,
The calculation means further has a function of calculating an applied X-axis direction acceleration based on the sum of the first acceleration force and the second acceleration force. Angular velocity sensor.
検出時にＹ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｙ軸方向に作用する第１のＹ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＹ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｙ軸方向に作用する第２のＹ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、前記第１の加速度力と前記第２の加速度力との和に基づいて、作用したＹ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有することを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。 In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 7,
A first Y-axis acceleration force that acts on the first weight body in the Y-axis direction due to the acceleration when the acceleration in the Y-axis direction is acting at the time of detection is detected. Acceleration force detection means;
A second Y-axis acceleration force that acts on the second weight body in the Y-axis direction due to the acceleration when an acceleration in the Y-axis direction is acting at the time of detection; Acceleration force detection means;
Further provided,
The calculation means further has a function of calculating an applied acceleration in the Y-axis direction based on the sum of the first acceleration force and the second acceleration force. Angular velocity sensor.
検出時にＺ軸方向の加速度が作用していた場合に、第１の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｚ軸方向に作用する第１のＺ軸加速度力を検出する第１の加速度力検出手段と、
検出時にＺ軸方向の加速度が作用していた場合に、第２の重錘体に対して前記加速度に起因して前記Ｚ軸方向に作用する第２のＺ軸加速度力を検出する第２の加速度力検出手段と、
を更に設け、
演算手段が、前記第１の加速度力と前記第２の加速度力との和に基づいて、作用したＺ軸方向の加速度を求める演算を行う機能を更に有することを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。 In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 8,
A first Z-axis acceleration force that acts on the first weight body in the Z-axis direction due to the acceleration when an acceleration in the Z-axis direction is applied at the time of detection is detected. Acceleration force detection means;
A second Z-axis acceleration force that acts on the second weight body in the Z-axis direction due to the acceleration when acceleration in the Z-axis direction is applied at the time of detection; Acceleration force detection means;
Further provided,
The calculation means further has a function of calculating an applied Z-axis direction acceleration based on a sum of the first acceleration force and the second acceleration force. Angular velocity sensor.
第１の重錘体について所定軸の方向に作用した力を検出する第１の力検出手段を、この所定軸を検出軸とする第１のコリオリ力検出手段および第１の加速度力検出手段として兼用し、
第２の重錘体について所定軸の方向に作用した力を検出する第２の力検出手段を、この所定軸を検出軸とする第２のコリオリ力検出手段および第２の加速度力検出手段として兼用し、
前記第１の力検出手段による力の検出値と前記第２の力検出手段による力の検出値との差に基づいて角速度を求め、
前記第１の力検出手段による力の検出値と前記第２の力検出手段による力の検出値との和に基づいて加速度を求めるようにしたことを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。 The angular velocity sensor according to any one of claims 7 to 9,
The first force detection means for detecting the force acting on the first weight body in the direction of the predetermined axis is used as the first Coriolis force detection means and the first acceleration force detection means using the predetermined axis as the detection axis. Combined use
The second force detection means for detecting the force acting on the second weight body in the direction of the predetermined axis is used as second Coriolis force detection means and second acceleration force detection means using the predetermined axis as the detection axis. Combined use
An angular velocity is obtained based on the difference between the force detection value by the first force detection means and the force detection value by the second force detection means,
An angular velocity sensor having an acceleration detection function, wherein an acceleration is obtained based on a sum of a force detection value by the first force detection means and a force detection value by the second force detection means. .
第１の重錘体および第２の重錘体の運動周波数を、検出対象となる加速度の周波数に比べて十分に高く設定し、前者を高周波数、後者を低周波数とする識別が可能になるようにし、
第１の力検出手段による力の検出値の前記高周波数の成分と第２の力検出手段による力の検出値の前記高周波数の成分との差に基づいて角速度を求め、
第１の力検出手段による力の検出値の前記低周波数の成分と第２の力検出手段による力の検出値の前記低周波数の成分との和に基づいて加速度を求めるようにしたことを特徴とする加速度検出機能をもった角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 10.
The motion frequency of the first weight body and the second weight body is set sufficiently higher than the acceleration frequency to be detected, and the former can be identified as a high frequency and the latter as a low frequency. And
An angular velocity is obtained based on a difference between the high frequency component of the force detection value by the first force detection means and the high frequency component of the force detection value by the second force detection means,
The acceleration is obtained based on the sum of the low frequency component of the force detection value by the first force detection means and the low frequency component of the force detection value by the second force detection means. An angular velocity sensor with an acceleration detection function.
互いに所定間隔をおいてほぼ平行に配置された２枚の空間構成用基板と、この２枚の空間構成用基板の外周部を互いに接続する側壁部と、によって密閉された検出動作空間を構成し、
この検出動作空間内に２つの重錘体を収容し、前記重錘体が前記検出動作空間内で所定の自由度をもって運動可能となるように、前記重錘体と前記空間構成用基板とを直接または間接的に接続部材によって接続したことを特徴とする角速度センサ。 In the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 11 ,
A closed detection operation space is constituted by two space-constituting substrates arranged substantially in parallel with each other at a predetermined interval and a side wall portion connecting the outer peripheral portions of the two space-constituting substrates to each other. ,
Two weight bodies are accommodated in the detection operation space, and the weight body and the substrate for space configuration are arranged so that the weight body can move with a predetermined degree of freedom in the detection operation space. An angular velocity sensor connected directly or indirectly by a connecting member.
検出対象となる範囲を越えた過度に大きな角速度または加速度が作用した場合に、重錘体がいずれか一方の空間構成用基板に接触してその運動が妨げられるように、重錘体と各空間構成用基板との間隔を設定し、各空間構成用基板を重錘体の運動を制御する制御部材として利用できるようにしたことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 12 ,
When an excessively large angular velocity or acceleration is applied that exceeds the detection target range, the weight body and each space are prevented so that the weight body touches one of the space configuration substrates and the movement is hindered. An angular velocity sensor characterized in that an interval with a configuration substrate is set so that each space configuration substrate can be used as a control member for controlling the movement of a weight body.
一方の空間構成用基板に配線用開口窓を形成し、検出動作空間内に、この配線用開口窓を塞ぐように導電性の配線部材を設け、
前記検出動作空間の内部においては、重錘体を運動させるための駆動手段と、重錘体に作用したコリオリ力または加速度力を検出する力検出手段と、を前記配線部材に電気的に接続し、
前記検出動作空間の外部においては、前記配線用開口窓を通して、前記配線部材と外部配線とを電気的に接続するようにし、
前記検出動作空間の密閉状態を維持したまま電気的な配線が行われるようにしたことを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 12 or 13 ,
An opening window for wiring is formed on one space configuration substrate , and a conductive wiring member is provided in the detection operation space so as to close the opening window for wiring.
Inside the detection operation space, a drive means for moving the weight body and a force detection means for detecting Coriolis force or acceleration force acting on the weight body are electrically connected to the wiring member. ,
Outside the detection operation space, the wiring member and the external wiring are electrically connected through the wiring opening window,
An angular velocity sensor, wherein electrical wiring is performed while maintaining a sealed state of the detection operation space.
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