JP4816273B2 - ジャイロセンサ - Google Patents

Description

本発明は、車両などの角速度の検出を行うジャイロセンサに関するものである。

従来より、車両などの角速度の検出を行うジャイロセンサが知られている。このジャイロセンサでは、外部からの衝撃などによる振動（加速度）が入力されることにより、角速度が入力されていないのにも関わらず、センサ出力を発生させてしまうことがある。センサ出力は、一般的に左右対称な２つの振動子がジャイロセンサにおいては、理想的には２つの振動子が同じように動くようにすることで振動の影響をキャンセルするようにしているが、このような２つの振動子を有するジャイロセンサであっても、実際には２つの振動子が完全に同じ形にならないため、左右のアンバランスが生じ、その結果、振動の入力によって上記のような不具合を発生させてしまう。このため、このような衝撃に対して振動してしまわないように、ジャイロセンサに対して防振構造を備えることが検討されている。

例えば、特許文献１では、ジャイロセンサのパッケージに防振部材としての防振ゴムを設け、この防振ゴムによってセンサ素子を支持することで、外部からの衝撃などによって不必要な振動を吸収するようにしている。また、振動を減衰させるために、シリコンオイルを使用するという方法もある。
特開２０００−５５６６７号公報

しかしながら、防振部材という特別な部品が必要となり、ジャイロセンサの構成の複雑化、ひいてはジャイロセンサの製造コストの増大を招くことになる。

本発明は上記点に鑑みて、防振部材という特別な部品を必要としなくても、角速度が生じていないのにもかかわらず角速度が生じたようなセンサ出力を発生してしまうことを防止できるジャイロセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、実装基板（３）と、実装基板（３）に実装され、角速度が入力されたときに共振振動し、該入力された角速度に応じて容量値を変化させると共に、該容量値に応じた検出信号を出力する振動子（２）と、振動子（２）からの検出信号を信号処理するセンサ回路とを備え、振動子（２）を振動させ、角速度が入力されたときに振動子（２）から出力される容量値に応じた検出信号をセンサ回路にて信号処理することで、入力された角速度を示すジャイロ出力を得るジャイロセンサにおいて、実装基板（３）のうち振動子（２）の両側には実装基板（３）を貫通するスリット（４）が形成されることで細長構造体（５）が構成され、該細長構造体の中央位置に振動子（２）が配置されており、実装基板（３）のうち細長構造体（５）を含まない部分において支持部材（６）によって支持されていることを第１の特徴としている。

このように、プリント基板（３）のうち振動子（２）の両側にスリット（４）を形成することで細長構造体（５）を構成し、スリット（４）の長さを調整することや細長構造体（５）の厚み、幅、ヤング率を調整することにより、細長構造体（５）の振動の共振周波数を振動子（２）での角速度検出に用いられる共振周波数から離し、これらが一致しないようにしている。これにより、振動子（２）の角速度検出に及ぼす影響を小さくすることができる。

例えば、スリット（４）の長さを調整することにより、細長構造体（５）における共振周波数が振動子（２）での角速度の検出に用いられる共振周波数よりも小さくなるようにすることができる。

また、本発明では、実装基板（３）には該実装基板（３）を貫通するスリット（４）が形成され、該スリット（４）にて十字型構造体（７）が構成されていると共に、該十字型構造体（７）の中央位置に振動子（２）が配置されており、実装基板（３）のうち十字型構造体（７）を含まない部分において支持部材（６）によって支持されていることを第２の特徴としている。

このように、細長構造体（５）に代えて十字型構造体（７）としても、上記と同様の効果を得ることができる。

この場合にも、スリット（４）の長さを調整することや十字型構造体（７）の厚み、幅、ヤング率を調整することにより、十字型構造体（７）における共振周波数が振動子（２）での角速度の検出に用いられる共振周波数よりも小さくなるようにすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態を適用したジャイロセンサ１の実装構造の模式図を示す。以下、図１を参照して、本実施形態のジャイロセンサ１について説明する。

本実施形態に示すジャイロセンサ１は、静電駆動・容量検出型マイクロジャイロセンサで構成されている。このジャイロセンサ１は、振動子２を有して構成される。振動子２は、例えば、左右対称的に形成された左右振動子を有して構成され、左右振動子を互いに逆方向に一定振幅で振動させ、角速度が印加されたときにコリオリ力に基づいて検出用の容量が変化することに基づいて印加された角速度を検出する。なお、ジャイロセンサ１の振動子２の基本構造に関しては周知なものであり、本実施形態で説明するジャイロセンサ１の振動子２の構造自体はその周知な構造と変わらないため、ここでは説明を省略する。

そして、このような振動子２が、図１に示されるようにプリント基板３の中心に実装されている。プリント基板３のうち、振動子２の両側には、プリント基板３を貫通するスリット４が設けられており、両スリット４によって構成された細長構造体５の中央位置に振動子２が配置されている。振動子２は、例えば左右振動子２の配列方向が細長構造体５と平行若しくは垂直と一致するように配置されている。

図示しないが、プリント基板３のうち細長構造体５以外の部分には、振動子２が出力する角速度検出信号を信号処理したジャイロ出力を受け取るマイコンや信号処理に必要な外付け素子などが備えられており、細長構造体５に形成された配線パターンを通じて電気的に接続された構造とされている。

細長構造体５に形成された配線パターンの形状については、特に制限されることはないが、細長構造体５のうち細長構造体５の長手方向と平行な中心線を中心とした両側、および、細長構造体５のうち振動子２を挟んだ両側、双方において、線対称であると好ましい。

なお、プリント基板３の四隅に備えられた支持部材６は、プリント基板３をケース等に固定するためものである。この支持部材６も、振動子２を中心として対称的に配置されるのが好ましいが、対称でなくても細長構造体５の振動の大小が変わるのみで大きな影響は無い。

次に、上記のように構成されたジャイロセンサ１の作用およびそれにより得られる効果について、図２に示す細長構造体５の振動の共振周波数とジャイロセンサ１における振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数との関係を示すグラフを参照して説明する。

上述したように、振動子２の両側にスリット４を形成した場合、細長構造体５の振動の一次の共振周波数はスリット４の長さによって変化する。本実施形態では、この細長構造体５の振動の一次の共振周波数がジャイロセンサ１における振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数から離してあり、その共振周波数よりも小さい値としてある。

このため、細長構造体５が振動したとしても、その一次の共振周波数がジャイロセンサ１における振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数から離されているため、振動子２の角速度検出に及ぼす影響を小さくすることができる。このため、角速度が入力されていないのにもかかわらず角速度が生じたようなセンサ出力を発生してしまうことを抑制することが可能となる。

なお、細長構造体５の振動周波数をジャイロセンサ１における振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数から離すことにより、細長構造体５の振動の高次の振動モードが振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数に近づくことが懸念されるが、以下の理由により、その振動による影響は小さいと言える。

これについて、図３に示す振動の共振モード毎の細長構造体５の振動の様子を示す模式図を参照して説明する。なお、図３（ａ）では、左右方向を細長構造体５の長手方向として振動の様子を示してあり、図３（ｂ）では、振動による振幅の様子を正負の符号、具体的には細長構造体５が盛り上がる方向の振幅を＋、凹む方向の振幅を−として表してある。

ジャイロセンサ１に印加される振動の共振モードを１次モードから５次モードに分析すると、振動の様子が図３（ａ）、（ｂ）のように示される。これを見ると分かるように、２次〜４次という高次の振動モードにおいては、細長構造体５の中央位置が振動による振幅が最も小さくなる場所、つまり振動の節となる。

具体的には、２次モードでは、細長構造体５の長手方向と平行な中心線を中心とした両側で互いに逆方向に変位するように振動するため、その中心線が節となる。３次モードでは、細長構造体５のうち振動子２を挟んだ両側で互いに逆方向に変位するように振動するため、細長構造体５の中央位置が節となる。４次モードでは、細長構造体５の長手方向と平行な中心線と、振動子２を通る中心線と垂直な線とによって細長構造体５を４等分にすると、振動子２を中心とした対角の関係で逆方向に変位するように振動するため、細長構造体５の長手方向と平行な中心線および振動子２を通る中心線と垂直な線が節となる。

このため、２次〜４次モードのいずれの場合にも、細長構造体５の中央位置が振動の節となる。したがって、細長構造体５の中央位置に振動子２を配置することにより、高次の振動モードが振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数に近づいたとしても、振動の節である振動子２は振動しないようにすることが出来る。

以上説明したように、本実施形態のジャイロセンサ１によれば、プリント基板３のうち振動子２の両側にスリット４を形成することで細長構造体５を構成し、スリット４の長さを調整することにより、細長構造体５の振動の共振周波数を振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数から離し、これらが一致しないようにしている。これにより、振動子２の角速度検出に及ぼす影響を小さくすることができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態を適用したジャイロセンサ１の実装構造の模式図である。上記実施形態では、プリント基板３のうち振動子２の両側にスリット４を形成したが、図４に示すように、スリット４によって十字型構造体７を構成し、振動子２を十字型構造体７の中心位置に配置しても良い。このような構造においても、スリット４の長さを調整することにより、細長構造体５の振動の共振周波数を振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数から離すことができる。したがって、上記第１実施形態と同様に、振動子２の角速度検出に及ぼす影響を小さくすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、振動子２をプリント基板３の中心位置に配置しているが、上記のようにスリット４の長さを調整することにより、細長構造体５や十字型構造体７の振動の共振周波数を振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数から離すことができるため、必ずしもプリント基板３の中心位置でなくても良い。

また、上記実施形態では、実装基板の例としてプリント基板３を挙げたが、様々な実装基板のいずれに対しても本発明を適用可能である。

なお、上記実施形態では、細長構造体５の長さによって共振周波数を調整する場合について説明したが、細長構造体５の厚み、幅、ヤング率を調整することによっても共振周波数を調整することができる。このため、これらのうちの少なくも１つに基づいて細長構造体５の共振周波数を調整することで、上記効果を得ることができる。

本発明の第１実施形態を適用したジャイロセンサ１の実装構造の模式図である。 細長構造体５の振動の共振周波数とジャイロセンサ１における振動子２での角速度検出に用いられる共振周波数との関係を示すグラフである。 振動の共振モード毎の細長構造体５の振動の様子を示す模式図である。 本発明の第２実施形態を適用したジャイロセンサ１の実装構造の模式図である。

符号の説明

１…ジャイロセンサ、２…振動子、３…プリント基板、４…スリット、
５…細長構造体、６…支持部材、７…十字型構造体。

Claims (7)

1. 実装基板（３）と、
   前記実装基板（３）に実装され、角速度が入力されたときに共振振動し、該入力された角速度に応じて容量値を変化させると共に、該容量値に応じた検出信号を出力する振動子（２）と、
   前記振動子（２）からの検出信号を信号処理するセンサ回路とを備え、
   前記振動子（２）を振動させ、角速度が入力されたときに前記振動子（２）から出力される前記容量値に応じた検出信号を前記センサ回路にて信号処理することで、入力された角速度を示すジャイロ出力を得るジャイロセンサにおいて、
   前記実装基板（３）のうち前記振動子（２）の両側には前記実装基板（３）を貫通するスリット（４）が形成されることで細長構造体（５）が構成され、該細長構造体（５）の中央位置に前記振動子（２）が配置されており、前記実装基板（３）のうち前記細長構造体（５）を含まない部分において支持部材（６）によって支持されていることを特徴とするジャイロセンサ。
2. 前記細長構造体（５）における共振周波数が、前記振動子（２）での角速度の検出に用いられる共振周波数よりも小さくなるように、前記スリット（４）の長さが規定されていることを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサ。
3. 前記細長構造体（５）における共振周波数が、前記振動子（２）での角速度の検出に用いられる共振周波数よりも小さくなるように、前記細長構造体（５）の厚み、幅、ヤング率が規定されていることを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサ。
4. 実装基板（３）と、
   前記実装基板（３）に実装され、角速度が入力されたときに共振振動し、該入力された角速度に応じて容量値を変化させると共に、該容量値に応じた検出信号を出力する振動子（２）と、
   前記振動子（２）からの検出信号を信号処理するセンサ回路とを備え、
   前記振動子（２）を振動させ、角速度が入力されたときに前記振動子（２）から出力される前記容量値に応じた検出信号を前記センサ回路にて信号処理することで、入力された角速度を示すジャイロ出力を得るジャイロセンサにおいて、
   前記実装基板（３）には該実装基板（３）を貫通するスリット（４）が形成され、該スリット（４）にて十字型構造体（７）が構成されていると共に、該十字型構造体（７）の中央位置に前記振動子（２）が配置されており、前記実装基板（３）のうち前記十字型構造体（７）を含まない部分において支持部材（６）によって支持されていることを特徴とするジャイロセンサ。
5. 前記十字型構造体（７）における共振周波数が、前記振動子（２）での角速度の検出に用いられる共振周波数よりも小さくなるように、前記スリット（４）の長さが規定されていることを特徴とする請求項４に記載のジャイロセンサ。
6. 前記十字型構造体（７）における共振周波数が、前記振動子（２）での角速度の検出に用いられる共振周波数よりも小さくなるように、前記細長構造体（５）の厚み、幅、ヤング率が規定されていることを特徴とする請求項４に記載のジャイロセンサ。
7. 前記実装基板（３）の四隅において前記支持部材（６）にて支持していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のジャイロセンサ。

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