JP5206409B2

JP5206409B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP5206409B2
Application number: JP2008530847A
Authority: JP
Inventors: 二郎寺田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-08-07
Also published as: EP2063224A4; WO2008023566A1; EP2063224A1; JPWO2008023566A1; US8117913B2; US20100218604A1

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度を検出する角速度センサに関するものである。

以下、従来の角速度センサについて説明する。

従来の角速度センサは、例えば、音さ形状やＨ形状やＴ形状等、各種形状の検出素子を振動させ、コリオリ力の発生に伴う検出素子の歪を電気的に検知して角速度を検出する。

例えば、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｘ軸とＹ軸とのＸＹ平面に車両を配置した場合、ナビゲーション装置用の角速度センサでは、車両のＸ軸周りや、Ｚ軸周りの角速度を検出する必要がある。

従来、複数の検出軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の角速度を検出する場合は、検出軸の数に対応するように複数の角速度センサを用いていた。また、Ｚ軸周りの角速度を検出するためには、ＸＹ平面に対して、検出素子を立設して用いていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

しかしながら、上記構成では、複数の検出軸の角速度を検出する場合、各々の検出軸に対応させて、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装基板に実装するための実装面積を確保する必要があり、各種電子機器の小型化を図れないという問題点を有していた。
特開２００１−２０８５４６号公報

本発明は上記問題点を解決し、複数の検出軸の角速度を検出する場合、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、各種電子機器の小型化を図れる角速度センサを提供するものである。

そのために本発明は、特に、駆動回路部では駆動部に２つの駆動信号を入力し、検出回路部では第１感知部から出力される２つの感知信号に基づいて第１差動信号を出力し、第２感知部から出力される２つの感知信号に基づいて第２差動信号を出力し、第１感知部から出力される２つの感知信号に基づいて第１加算信号を出力し、第２感知部から出力される２つの感知信号に基づいて第２加算信号を出力し、第１差動信号と第２差動信号に基づく加算信号と、第１加算信号と第２加算信号に基づく差動信号から角速度を検出する構成である。

上記構成により、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸において、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合と、Ｘ軸周りの角速度を検出する場合とにおいて、第１差動信号と第２差動信号に基づく加算信号の値と、第１加算信号と第２加算信号に基づく差動信号の値とが互いに異なるので、１つの検出素子において２つの検出軸の周りの角速度を検出できる。

よって、複数の検出軸の角速度を検出する場合、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、１つの検出素子を実装するための実装面積を確保すればよく、各種電子機器の小型化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施の形態における角速度センサの、検出素子の斜視図である。

図１において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、角速度を検出する検出素子１を備える。この検出素子１は、第１アーム２を第２アーム４に略直交方向に連結して形成した２つの直交アームを有し、２つの第１アーム２を支持する支持部６と、支持部６に一端を連結するとともに他端を実装基板（図示せず）に固定する２つの固定用アーム８とを有する。

固定用アーム８は、第１アーム２に第３アーム１０を略直交方向に連結して形成した直交アームとするとともに、第３アーム１０の両端に形成した固定部９にて実装基板に固定している。また、第２アーム４は折曲して第２アーム４自身と対向する対向部１６を設け、その先端には錘部１１を連結している。

この検出素子１は、固定用アーム８の第１アーム２と支持部６とを略同一直線上に配置しており、互いに直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、第１アーム２をＸ軸方向に配置した場合、第２アーム４がＹ軸方向に配置される。

さらに、４つの第２アーム４の内、互いに対向する一方（図１の上方）の２つの第２アーム４の対向部１６には、錘部１１を駆動振動させる駆動部１７および駆動状態を検知させる検知部１８を設ける。また、互いに対向する他方（図１の下方）の２つの第２アーム４の対向部１６には、第２アーム４の歪を感知する第１感知部１９、第２感知部２０を設けている。

この駆動部１７は第２アーム４の錘部１１を駆動させるための電極部であり、検知部１８は第２アーム４の駆動状態を検知するための電極部である。そして、一方の第２アーム４に第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂを対向配置させ、他方の第２アーム４に第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂを対向配置させて、駆動部１７と検知部１８を形成している。これら第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂは、圧電体を介在させた下部電極と上部電極とからなる。

第１感知部１９および第２感知部２０は、２つの第２アーム４の歪を感知させるための電極部であり、一方の第２アーム４に第１、第２感知電極部１９ａ、１９ｂを対向配置させ、他方の第２アーム４に第３、第４感知電極部２０ａ、２０ｂを対向配置させて、第１感知部１９と第２感知部２０を形成している。これら第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、圧電体を介在させた下部電極と上部電極とからなる。

上記の第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂおよび第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、シリコン基板上に白金（Ｐｔ）からなる下部電極を高周波スパッタにて形成し、この下部電極の上部にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電体を高周波スパッタにて形成し、ＰＺＴ圧電体の上部に金（Ａｕ）からなる上部電極を蒸着にて形成すればよい。

第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動部１７が配置された対向部１６を起点に第２アーム４が駆動振動する。それに伴って、４つの第２アーム４および４つの錘部１１の全てが同調して駆動振動する。また、角速度に起因して第２アーム４が歪めば、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂから歪に応じた電圧が出力され、この出力電圧に基づき、角速度を検出できる。

図２は同検出素子１の動作状態図である。

互いに直交あるいは略直交したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、検出素子１の第１アーム２をＸ軸方向に配置して、第２アーム４をＹ軸方向に配置した場合、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂに共振周波数の交流電圧を印加すると、駆動部１７が配置された第２アーム４の対向部１６を起点に、第２アーム４が駆動振動する。それに伴って、錘部１１も第２アーム４の対向方向（第２アーム４自身とその対向部１６が対向するＸ軸方向であって、実線の矢印と点線の矢印で記した駆動振動方向）に駆動振動する。また、４つの第２アーム４および４つの錘部１１の全てが同調して、第２アーム４の対向方向に駆動振動する。この検出素子１における駆動振動方向はＸ軸方向となる。

このとき、例えば、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合は、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（実線の矢印と点線の矢印で記したコリオリ方向）にコリオリ力が発生するので、第２アーム４にＺ軸の左回りの角速度に起因した歪を発生させることができる。この検出素子１のコリオリ方向はＹ軸方向となる。

実線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが設けられた第２アーム４の対向部１６において、第１感知電極部１９ａと第３感知電極部２０ａが第２アーム４の対向部１６の縮みを感知するとともに、第２感知電極部１９ｂと第４感知電極部２０ｂが第２アーム４の対向部１６の伸びを感知する。一方、点線の矢印で記したコリオリ方向にコリオリ力が発生した場合は、第１感知電極部１９ａ、第３感知電極部２０ａ、第２感知電極部１９ｂ、第４感知電極部２０ｂは、その逆方向の伸び縮みを感知する。

そして、感知した伸び縮みに応じて、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂから電圧が出力され、この出力電圧に基づき角速度が検出される。

一方、Ｚ軸の右回りに角速度が生じた場合は、Ｚ軸の左回りに角速度が生じた場合とは正反対に、第２アーム４の対向部１６が伸び縮みし、この伸び縮みを第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが感知するので、同様に角速度が検出される。

また、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合も、錘部１１の駆動振動と同調して、錘部１１に対して駆動振動方向と直交した方向（Ｚ軸方向）にコリオリ力が発生する。従って、第２アーム４にＹ軸周りの角速度に起因した歪を発生させ、第２アーム４の対向部１６の伸び縮みを、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが感知することにより、角速度が検出される。

なお、Ｚ軸、Ｙ軸周りに角速度が生じた場合に発生する歪は、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂが設けられた第２アーム４にも同様に発生する。従って、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂおよび第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂが設けられた第２アーム４に配置することも可能である。

図３は同角速度センサの回路ブロック図である。

図３において、４つの第２アーム４の内、互いに対向する一方（図１の上方）の２つの第２アーム４に配置された駆動部１７と検知部１８は、駆動回路部２１に接続されている。他方（図１の下方）の２つの第２アーム４に配置された第１感知部１９と第２感知部２０は、検出回路部２５に接続されている。

検出回路部２５における、第１感知部１９および第２感知部２０から出力される２つの感知信号の信号処理について説明する。

第１感知部１９としての、第１感知電極部１９ａおよび第２感知電極部１９ｂから出力される２つの感知信号は、各々増幅器１２、１３により増幅され、これら２つの感知信号に基づいて、減算器３０により第１差動信号（信号点ｅ）が出力される。同時に、増幅器１２、１３により増幅された２つの感知信号が分岐され、これら分岐された２つの感知信号に基づいて、加算器３２により第１加算信号（信号点ｇ）が出力される。

第２感知部２０としての、第３感知電極部２０ａおよび第４感知電極部２０ｂから出力される２つの感知信号は、各々増幅器１４、１５により増幅され、これら２つの感知信号に基づいて、減算器３４により第２差動信号（信号点ｆ）が出力される。同時に、増幅器１４、１５により増幅された２つの感知信号が分岐され、これら分岐された２つの感知信号に基づいて、加算器３６により第２加算信号（信号点ｈ）が出力される。

また、減算器３０から出力された第１差動信号、および減算器３４から出力された第２差動信号に基づいて、加算器３８により加算信号（信号点ｉ）が出力される。それとともに、加算器３２から出力された第１加算信号、および加算器３６から出力された第２加算信号に基づいて、減算器４０により減算信号（信号点ｊ）が出力される。

さらに、加算信号と減算信号は、各々、検波回路部４２、４４で検波され、ローパスフィルタ部４６、４８を介して、第１角速度信号および第２角速度信号が検出される。

この第１角速度信号よび第２角速度信号の値を比較することによって、複数の検出軸における角速度が検出できる。

ここで、同検出素子１の動作状態における、検出回路部２５の各信号点ａ〜ｊにおける特性波形は、図４〜図６に示す通りとなる。

図４は角速度が生じていない場合の各信号点における特性波形図、図５はＺ軸周りに角速度が生じた場合の各信号点における特性波形図、図６はＹ軸周りに角速度が生じた場合の各信号点における特性波形図である。特に、図５、図６は、コリオリ成分のみを抽出した特性波形図である。

角速度が生じていない場合は、図４に示すように、信号点ｉ、信号点ｊには、共に信号特性波がゼロとなり、第１、第２角速度信号は出力されない。

Ｚ軸周りに角速度が生じている場合は、図５に示すように、信号点ｉでは信号特性波が出力され、信号点ｊでは信号特性波がゼロとなり第２角速度信号は出力されない。

Ｙ軸周りに角速度が生じている場合は、図６に示すように、信号点ｉでは信号特性波がゼロとなり第１角速度信号は出力されず、信号点ｊでは信号特性波が出力される。

このように、Ｙ軸周りに角速度が生じている場合、Ｚ軸周りに角速度が生じている場合、角速度が生じていない場合において、各々、信号点ｉ、信号点ｊにおける信号特性波形が異なるので、角速度の発生状態を区別して検出することができる。

上記構成によって、互いに略直交したＸ軸とＹ軸とＺ軸に対して、Ｚ軸周りの角速度を検出する場合と、Ｙ軸周りの角速度を検出する場合とにおいて、第１差動信号と第２差動信号に基づく加算信号の値（信号点ｉにおける特性波形）と、第１加算信号と第２加算信号に基づく差動信号の値（信号点ｊにおける特性波形）とが互いに異なるので、１つの検出素子において２つの検出軸の周りの角速度を検出できる。

特に、Ｚ軸周りにのみ角速度が生じた場合は、第１加算信号と第２加算信号に基づく差動信号の値（信号点ｊにおける特性波形）が出力されず、Ｙ軸周りにのみ角速度が生じた場合は、第１差動信号と第２差動信号に基づく加算信号の値（信号点ｉにおける特性波形）が出力されない。従って、信号点ｉと信号点ｊの両方に特性波形が出力された場合は、Ｙ軸周りの角速度とＺ軸周りの角速度が同時に生じていると判別が可能であり、２つの検出軸周りの角速度の同時検出もできる。

さらに、角速度が生じていない場合は、第１差動信号と第２差動信号に基づく加算信号の値（信号点ｉにおける特性波形）と、第１加算信号と第２加算信号に基づく差動信号の値（信号点ｊにおける特性波形）とが共に出力されないので、角速度が生じている場合と区別することができる。

この際、第１差動信号と第２差動信号に基づく加算信号（信号点ｉ）の値と、第１加算信号と第２加算信号に基づく差動信号（信号点ｊ）の値とが、互いに異なり、かつ、特定の比率関係にあれば、この比率を換算することによって、同様の効果を得ることもできる。

したがって、複数の検出軸の角速度を検出する場合、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、１つの検出素子を実装するための実装面積を確保すればよく、各種電子機器の小型化を図ることができる。

次に、故障診断時における回路処理について説明する。

図３において、まず、角速度が発生していない状態時に、駆動回路部２１において、互いに同位相または逆位相の２つの故障診断用信号を、故障診断用信号発振器５０から第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂに入力する。次に、検出回路部２５において、加算信号と差動信号から出力される信号が、角速度が発生している状態時に出力される信号と一致するかを比較する。そして、信号が一致すれば、擬似的な角速度が検出されており、故障していないと判断することができる。

この際、駆動信号と故障診断用信号とは互いに９０度位相の異なる信号波形とするのが望ましい。

ここで、故障診断時における駆動回路部２１の各信号点Ｓ１、Ｓ２における特性波形と、検出回路部２５の各信号点ａ〜ｊにおける特性波形は、図７、図８に示す通りとなる。

図７は互いに逆位相の２つの故障診断用信号に対する各信号点Ｓ１、Ｓ２における特性波形図、図８は互いに同位相の２つの故障診断用信号に対する各信号点Ｓ１、Ｓ２における特性波形図である。

図７に示すように、２つの故障診断用信号が逆位相であれば、Ｚ軸周りにのみ角速度が生じた場合と同様に、第１差動信号と第２差動信号に基づく加算信号の値（信号点ｉにおける特性波形）が出力され、第１加算信号と第２加算信号に基づく差動信号の値（信号点ｊにおける特性波形）が出力されない。

図８に示すように、２つの故障診断用信号が同位相であれば、Ｙ軸周りにのみ角速度が生じた場合と同様に、第１差動信号と第２差動信号に基づく加算信号の値（信号点ｉにおける特性波形）が出力されず、第１加算信号と第２加算信号に基づく差動信号の値（信号点ｊにおける特性波形）が出力される。

したがって、互いに同位相または逆位相の２つの故障診断用信号を駆動部の第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂに入力して、加算信号と差動信号から擬似的な角速度を検出することができ、検出素子や検出回路部の故障の有無を検知できる。

なお、本発明の一実施の形態では、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂ、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂ、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、第２アーム４の対向部１６に配置したが、第２アーム４の対向部１６以外に配置してもよい。例えば、第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂ、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂ、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを、４つの第２アーム４において、支持部６側に近接した部分に配置したり、第１アーム２と平行な部分に配置したりしてもよい。

図９は本発明の他の実施の形態の角速度センサの検出素子の斜視図である。図１０は同角速度センサの回路ブロック図である。

支持部６側に近接した部分に第１、第２駆動電極部１７ａ、１７ｂ、第１、第２検知電極部１８ａ、１８ｂ、第１〜第４感知電極部１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂを配置した場合は、図９に示すようになり、駆動回路部２１および検出回路部２５との接続は、図１０に示すようになる。これらの動作は上記と同様であるから、詳細な説明を省略する。

この場合、支持部６側に近接した部分を起点に１つの第２アーム４が駆動振動するとともに、それに伴って、４つの第２アーム４および４つの錘部１１の全てが同調して駆動振動する。

本発明に係る角速度センサは、複数の検出素子や複数の角速度センサを実装するための実装面積を確保する必要がなく、各種電子機器の小型化を図れ、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの検出素子の斜視図同角速度センサの検出素子の動作状態図同角速度センサの回路ブロック図角速度が生じていない場合の各信号点における特性波形図Ｚ軸周りに角速度が生じた場合の各信号点における特性波形図Ｙ軸周りに角速度が生じた場合の各信号点における特性波形図互いに逆位相の２つの故障診断用信号に対する各信号点における特性波形図互いに同位相の２つの故障診断用信号に対する各信号点における特性波形図本発明の他の実施の形態の角速度センサの検出素子の斜視図同角速度センサの回路ブロック図

符号の説明

１検出素子
２第１アーム
４第２アーム
６支持部
８固定用アーム
９固定部
１０第３アーム
１１錘部
１２，１３，１４，１５増幅器
１６対向部
１７駆動部
１７ａ第１駆動電極部
１７ｂ第２駆動電極部
１８検知部
１８ａ第１検知電極部
１８ｂ第２検知電極部
１９第１感知部
１９ａ第１感知電極部
１９ｂ第２感知電極部
２０第２感知部
２０ａ第３感知電極部
２０ｂ第４感知電極部
２１駆動回路部
２５検出回路部
３０，３４，４０減算器
３２，３６，３８加算器
４２，４４検波回路部
４６，４８ローパスフィルタ部
５０故障診断用信号発信器

Claims

第１、第２、第３、第４の直交アームと、第１の前記直交アームに配置し、第１、第２、第３、第４の前記直交アームを駆動振動させる駆動部と、
第２の前記直交アームに配置し、第２の前記直交アームの歪を感知させる第１感知部と、
第３の前記直交アームに配置し、第３の前記直交アームの歪を感知させる第２感知部と、
前記駆動部に接続され前記駆動部を駆動させる駆動回路部と、
前記第１、第２感知部に接続され角速度を検出する検出回路部とを備え、
第１、第２、第３、第４の前記直交アームのそれぞれは、一端が支持部に接続され、かつ、他端が錘部に接続され、
前記駆動回路部は前記駆動部に２つの駆動信号を入力し、
前記検出回路部は前記第１感知部から出力される２つの感知信号に基づいて第１差動信号を出力し、
前記第２感知部から出力される２つの感知信号に基づいて第２差動信号を出力し、
前記第１感知部から出力される２つの感知信号に基づいて第１加算信号を出力し、
前記第２感知部から出力される２つの感知信号に基づいて第２加算信号を出力し、
前記第１差動信号と前記第２差動信号に基づく加算信号と、前記第１加算信号と前記第２加算信号に基づく差動信号から角速度を検出する、角速度センサ。
互いに同位相または逆位相の２つの故障診断用信号を前記駆動部に入力して、前記加算信号と前記差動信号から擬似的な角速度を検出する故障診断部を設けた、請求項１記載の角速度センサ。
前記駆動信号と前記故障診断用信号とは互いに９０度位相の異なる信号波形とした、請求項２記載の角速度センサ。
前記第１感知部は、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる第１感知電極部と第２感知電極部を有し、
前記第２感知部は、圧電体を介在させた上部電極と下部電極とからなる第３感知電極部と第４感知電極部を有し、
前記第１感知電極部と前記第２感知電極部とは対向させて前記第２の直交アームに配置するとともに前記第１、第２感知電極部から２つの感知信号を出力し、
前記第３感知電極部と前記第４感知電極部とは対向させて前記第３の直交アームに配置するとともに前記第３、第４感知電極部から２つの感知信号を出力する、請求項１記載の角速度センサ。