JP5277495B2

JP5277495B2 - Sensitivity measurement method of angular velocity sensor

Info

Publication number: JP5277495B2
Application number: JP2009006413A
Authority: JP
Inventors: 浩一疋田
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: JP2010164397A

Description

本発明は、角速度センサの感度測定装置に関し、より詳細には、角速度センサの感度などの電気的特性を測定するための角速度センサの感度測定装置に関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor sensitivity measuring device, and more particularly to an angular velocity sensor sensitivity measuring device for measuring electrical characteristics such as sensitivity of an angular velocity sensor.

一般に、小型の角速度センサには、内部に変位可能な重錘体を有し、この重錘体を所定の周波数で振動させることによって角速度を検出する方式のものがある。すなわち、重錘体を静電力や圧電効果などによって所定の周波数で振動させることで、角速度が与えられた時に重錘体にコリオリの力が発生し、重錘体がさらに変位する現象を静電容量の変化や圧電効果などにより検出するのである。 In general, a small angular velocity sensor has a weight body that can be displaced inside, and detects the angular velocity by vibrating the weight body at a predetermined frequency. In other words, by vibrating the weight body at a predetermined frequency by electrostatic force or piezoelectric effect, Coriolis force is generated in the weight body when an angular velocity is applied, and the phenomenon that the weight body is further displaced is electrostatically It is detected by a change in capacitance, a piezoelectric effect, or the like.

図１（ａ）乃至（ｄ）は、従来の角速度センサのセンサ部の構成図で、図１（ａ）は上部ガラス基板、図１（ｂ）はＳＯＩ基板、図1（ｃ）は下部ガラス基板、図１（ｄ）は図１（ｂ）の裏面を各々示している。つまり、図１（ａ）乃至（ｄ）は、非特許文献１及び非特許文献２に記載されている５軸モーションセンサ（５−ａｘｉｓｍｏｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ）の概略構成図である。 1A to 1D are configuration diagrams of a sensor portion of a conventional angular velocity sensor. FIG. 1A is an upper glass substrate, FIG. 1B is an SOI substrate, and FIG. 1C is a lower glass. The substrate, FIG. 1 (d) shows the back side of FIG. 1 (b), respectively. That is, FIGS. 1A to 1D are schematic configuration diagrams of a 5-axis motion sensor described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2. FIG.

なお、この非特許文献１及び非特許文献２における５軸モーションセンサは、３軸加速度と２軸角速度を検出可能なセンサとして紹介されているが、ここでは角速度センサの一例として取り上げる。 Note that the 5-axis motion sensor in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 is introduced as a sensor capable of detecting 3-axis acceleration and 2-axis angular velocity, but here it is taken as an example of an angular velocity sensor.

この角速度センサのセンサ部１００は、上部ガラス基板１０１と、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１０２と、下部ガラス基板１０３とから成る３層の構造を有している。 The sensor unit 100 of the angular velocity sensor has a three-layer structure including an upper glass substrate 101, an SOI (Silicon On Insulator) substrate 102, and a lower glass substrate 103.

ＳＯＩ基板１０２には、重錘体１０４と４本の梁部１０５乃至１０８とで振動子が形成されており、重錘体１０４は、梁部１０５乃至１０８で支持される構造になっている。ここで梁部１０５乃至１０８は薄く形成されており、応力によって曲げ変形しやすいため、重錘体１０４は力が加わると変位しやすくなっている。 In the SOI substrate 102, a vibrator is formed by a weight body 104 and four beam portions 105 to 108, and the weight body 104 is supported by the beam portions 105 to 108. Here, since the beam portions 105 to 108 are formed thin and are easily bent and deformed by stress, the weight body 104 is easily displaced when a force is applied.

上部ガラス基板１０１には電極Ｅ１乃至Ｅ５が、下部ガラス基板１０２には電極Ｅ６乃至Ｅ１０が形成されている。いずれの電極も重錘体１０４と対向するように配置されているため、電極Ｅ１乃至Ｅ１０と重錘体１０４の間には、それぞれ静電容量Ｃ１乃至Ｃ１０が存在している。なお、Ｅ５及びＥ１０は駆動電極、Ｅ１乃至４及びＥ６乃至Ｅ９は検出電極を示している。 Electrodes E1 to E5 are formed on the upper glass substrate 101, and electrodes E6 to E10 are formed on the lower glass substrate 102. Since all the electrodes are arranged so as to face the weight body 104, capacitances C1 to C10 exist between the electrodes E1 to E10 and the weight body 104, respectively. E5 and E10 are drive electrodes, and E1 to 4 and E6 to E9 are detection electrodes.

また、特許文献１に記載のものは、振動子に作用するコリオリ力を容量素子の静電容量の変化に基づいて検出する角速度センサに関するものである。 Further, the device described in Patent Document 1 relates to an angular velocity sensor that detects Coriolis force acting on a vibrator based on a change in capacitance of a capacitive element.

図２は、角速度センサにより角速度を検出する原理を説明するための図で、図３（ａ）乃至（ｄ）は、図２における信号波形図で、図３（ａ）は電極Ｅ５に印加される電圧Ｖ１の波形と電極Ｅ１０に印加される電圧Ｖ２の波形、図３（ｂ）は静電力Ｆｅの波形、図３（ｃ）は重錘体のｚ軸方向速度Ｖｚの波形、図３（ｄ）は重錘体のｚ軸方向変位Ｚｗの波形をそれぞれ示している。 FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of detecting the angular velocity by the angular velocity sensor. FIGS. 3 (a) to 3 (d) are signal waveform diagrams in FIG. 2, and FIG. 3 (a) is applied to the electrode E5. 3B is a waveform of the electrostatic force Fe, FIG. 3C is a waveform of the z-axis direction velocity Vz of the weight body, and FIG. 3B is a waveform of the voltage V1 applied to the electrode E10. d) shows the waveform of the displacement Zw in the z-axis direction of the weight body.

発振器２０１によって電極Ｅ５に電圧Ｖ１が、また、発振器２０１及び移相器２０２によって電極Ｅ１０へ電圧Ｖ２がそれぞれ印加される。電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の波形を図３（ａ）に示す。どちらも直流バイアス付きの交流波形であり、その周波数ｆ０は発振器２０１によって決まる。また、移相器２０２により電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の位相差は１８０°となっている。すると重錘体１０４にはｚ軸方向に静電力Ｆｅが発生し、ｚ軸方向の振動運動が引き起こされる。静電力Ｆｅと、重錘体１０４のｚ軸方向速度Ｖｚ及び重錘体１０４のｚ軸方向変位Ｚｗの波形をそれぞれ図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示す。いずれも周波数ｆ０の交流波形となり、静電力Ｆｅとｚ軸方向変位Ｚｗは電圧Ｖ１と同位相になるが、ｚ軸方向速度Ｖｚは電圧Ｖ１よりも位相が９０°進む。 A voltage V1 is applied to the electrode E5 by the oscillator 201, and a voltage V2 is applied to the electrode E10 by the oscillator 201 and the phase shifter 202. The waveforms of the voltage V1 and the voltage V2 are shown in FIG. Both are AC waveforms with a DC bias, and the frequency f 0 is determined by the oscillator 201. Further, the phase shifter 202 causes the phase difference between the voltage V1 and the voltage V2 to be 180 °. Then, an electrostatic force Fe is generated in the weight body 104 in the z-axis direction, causing a vibration motion in the z-axis direction. The waveforms of the electrostatic force Fe, the z-axis direction velocity Vz of the weight body 104, and the z-axis direction displacement Zw of the weight body 104 are shown in FIGS. 3B, 3C, and 3D, respectively. In either case, the AC waveform has a frequency f0, and the electrostatic force Fe and the z-axis direction displacement Zw have the same phase as the voltage V1, but the z-axis direction velocity Vz advances by 90 ° in phase with respect to the voltage V1.

この状態で角速度センサが角速度ωｙでｙ軸廻りの回転運動を始めると、重錘体１０４にはｘ軸方向にコリオリ力Ｆｃが発生し、重錘体１０４にはｚ軸方向の振動運動に加えてｙ軸廻りに変位する動作も引き起こされる。 In this state, when the angular velocity sensor starts rotating around the y-axis at the angular velocity ωy, a Coriolis force Fc is generated in the weight body 104 in the x-axis direction, and the weight body 104 is subjected to a vibration motion in the z-axis direction. Thus, the movement about the y-axis is also caused.

図４（ａ）乃至（ｃ）は、コリオリ力の発生を示す信号波形図で、図４（ａ）は電圧Ｖ１の波形図、図４（ｂ）は角速度ωｙの波形図、図４（ｃ）はコリオリ力Ｆｃの波形図をそれぞれ示している。 4A to 4C are signal waveform diagrams showing the generation of the Coriolis force, FIG. 4A is a waveform diagram of the voltage V1, FIG. 4B is a waveform diagram of the angular velocity ωy, and FIG. ) Shows waveform diagrams of the Coriolis force Fc.

コリオリ力Ｆｃは、重錘体１０４のｚ軸方向速度Ｖｚと角速度ωｙの積に比例するので、コリオリ力Ｆｃの波形は、図４（ｃ）に示すようになる。すなわち、電圧Ｖ１よりも位相が９０°進み、かつ角速度ωｙで振幅変調された、周波数ｆ０の交流波形となる。 Since the Coriolis force Fc is proportional to the product of the z-axis direction velocity Vz and the angular velocity ωy of the weight body 104, the waveform of the Coriolis force Fc is as shown in FIG. That is, an AC waveform having a frequency of f0, the phase of which is 90 ° ahead of the voltage V1 and amplitude-modulated at the angular velocity ωy.

コリオリ力Ｆｃが大きくなるほど重錘体１０４におけるｙ軸廻りの変位は大きくなるので、電極Ｅ１乃至Ｅ２と重錘体１０４の間隔と、電極Ｅ３乃至Ｅ４と重錘体１０４の間隔の差、すなわち、静電容量Ｃ１乃至Ｃ２と、静電容量Ｃ３乃至Ｃ４の差は大きくなる。同様に、電極Ｅ６乃至Ｅ７と重錘体１０４の間隔と、電極Ｅ８乃至Ｅ９と重錘体１０４の間隔の差、すなわち、静電容量Ｃ６乃至Ｃ７と、静電容量Ｃ８乃至Ｃ９の差は大きくなる。 As the Coriolis force Fc increases, the displacement around the y-axis in the weight body 104 increases, so the difference between the distance between the electrodes E1 to E2 and the weight body 104 and the distance between the electrodes E3 to E4 and the weight body 104, The difference between the capacitances C1 to C2 and the capacitances C3 to C4 becomes large. Similarly, the difference between the distance between the electrodes E6 to E7 and the weight body 104 and the distance between the electrodes E8 to E9 and the weight body 104, that is, the difference between the capacitances C6 to C7 and the capacitances C8 to C9 is large. Become.

そこで静電容量Ｃ１＋Ｃ２と静電容量Ｃ３＋Ｃ４の差あるいは静電容量Ｃ６＋Ｃ７と静電容量Ｃ８＋Ｃ９の差を検出してその信号を振動運動の周波数ｆ０で検波することにより、角速度ωｙを検出することが可能となる。 Therefore, the angular velocity ωy can be detected by detecting the difference between the capacitance C1 + C2 and the capacitance C3 + C4 or the difference between the capacitance C6 + C7 and the capacitance C8 + C9 and detecting the signal at the vibration motion frequency f0. It becomes.

図５は、角速度を検出する具体例を説明するための構成図である。
静電容量Ｃ１乃至Ｃ４は、Ｃ／Ｖ変換部２０３乃至２０６によってそれぞれ電圧に変換され、加算部２０７と加算部２０８及び減算部２０９によって静電容量Ｃ１＋Ｃ２と静電容量Ｃ３＋Ｃ４の差に相当する電圧が出力される。減算部２０９の出力は、乗算部２１１の一方の入力に接続される。一方、発振器２０１の出力、すなわち、電圧Ｖ１は＋９０°移相部２１０を通って乗算部２１１のもう一方の入力に接続される。 FIG. 5 is a configuration diagram for explaining a specific example of detecting the angular velocity.
The capacitances C1 to C4 are converted into voltages by the C / V conversion units 203 to 206, respectively, and the voltage corresponding to the difference between the capacitances C1 + C2 and the capacitance C3 + C4 by the addition unit 207, the addition unit 208, and the subtraction unit 209. Is output. The output of the subtraction unit 209 is connected to one input of the multiplication unit 211. On the other hand, the output of the oscillator 201, that is, the voltage V 1 is connected to the other input of the multiplier 211 through the + 90 ° phase shifter 210.

ここで発振器２０１の出力を Here, the output of the oscillator 201 is

と表現すると、＋９０°移相部２１０の出力は In other words, the output of the + 90 ° phase shifter 210 is

となる。また、減算部２０９の出力は、コリオリ力Ｆｃと相似であるから、 It becomes. Further, since the output of the subtraction unit 209 is similar to the Coriolis force Fc,

と表現することができる。すると乗算部２１１の出力は、

It can be expressed as Then, the output of the multiplication unit 211 is

となる。乗算部２１１の出力は、ＬＰＦ部２１２の入力に接続されるが、ＬＰＦ部２１２は、カットオフ周波数がｆ０より大きく２ｆ０より小さく設定されたローパスフィルタであるため、ＬＰＦ部２１２の出力は、第２項の It becomes. The output of the multiplication unit 211 is connected to the input of the LPF unit 212. The LPF unit 212 is a low-pass filter whose cutoff frequency is set larger than f0 and smaller than 2f0. 2 terms

だけが残り、角速度ωｙに比例する。 Only remains and is proportional to the angular velocity ωy.

また、角速度センサが角速度ωｘでｘ軸廻りの回転運動を始めた場合も、上述した場合と同様の原理により、静電容量Ｃ１＋Ｃ３と静電容量Ｃ２＋Ｃ４の差あるいは静電容量Ｃ６＋Ｃ８と静電容量Ｃ７＋Ｃ９の差を検出してその信号を振動運動の周波数ｆ０で検波することによって角速度ωｘを検出することができる。 Also, when the angular velocity sensor starts rotating around the x-axis at the angular velocity ωx, the difference between the capacitance C1 + C3 and the capacitance C2 + C4 or the capacitance C6 + C8 and the capacitance C7 + C9 based on the same principle as described above. The angular velocity ωx can be detected by detecting the difference between the two and detecting the signal at the vibration motion frequency f0.

このような角速度センサの感度を測定するためには、角速度センサを所定の角速度で回転させ、その時の出力を測定する方法が一般的にとられている。 In order to measure the sensitivity of such an angular velocity sensor, a method of rotating the angular velocity sensor at a predetermined angular velocity and measuring the output at that time is generally taken.

また、回転テーブルに複数の検査対象である角速度センサを配置したものとして、例えば、特許文献２に記載のものがある。この特許文献２には、回転テーブル上に複数の角速度センサを配置し、回転テーブルを所定の角速度で回転させ、スリップリングとセンサ出力切り換え装置を介して角速度センサの出力を測定する検査装置が開示されている。 Moreover, as what arrange | positioned the angular velocity sensor which is a several test object to a rotary table, there exists a thing of patent document 2, for example. This Patent Document 2 discloses an inspection apparatus in which a plurality of angular velocity sensors are arranged on a rotary table, the rotary table is rotated at a predetermined angular velocity, and the output of the angular velocity sensor is measured via a slip ring and a sensor output switching device. Has been.

また、他の例として、特許文献３には、シーソーの構造をした板体があってその一端に角速度センサが、もう一端にはボイスコイルが配置され、ボイスコイルを駆動することによってシーソーが動作し角速度センサにかかる角速度が変化し、この時の角速度センサの出力を測定する測定装置が開示されている。 As another example, in Patent Document 3, there is a plate body having a seesaw structure, an angular velocity sensor is arranged at one end, a voice coil is arranged at the other end, and the seesaw operates by driving the voice coil. An angular velocity applied to the angular velocity sensor changes, and a measuring device for measuring the output of the angular velocity sensor at this time is disclosed.

また、さらに他の例として、特許文献４及び特許文献５には、振り子の構造体があって角速度センサを振り子に固定し、振り子を駆動することによって角速度センサにかかる角速度が変化し、この時の角速度センサの出力を測定する測定装置ないし検査装置が開示されている。 As still another example, Patent Document 4 and Patent Document 5 have a pendulum structure, the angular velocity sensor is fixed to the pendulum, and the angular velocity applied to the angular velocity sensor is changed by driving the pendulum. A measuring device or an inspection device for measuring the output of the angular velocity sensor is disclosed.

特開２００７−３１９１号公報JP 2007-3191 A 特開２００２−３１０６６０号公報JP 2002-310660 A 特開平６−１４７８９８号公報JP-A-6-147898 特開平６−２４２１４３号公報JP-A-6-242143 特開２００６−８４４５５号公報JP 2006-84455 A

Y. Watanabe, T. Mitsui, T. Mineta, Y. Matsu and K. Okada, “SOI Micromachined 5-Axis Motion Sensor using Resonant Electrostatic Drive and Non-Resonant Capacitive Detection Mode”, Digest of Papers, Tranceducers ’05, pp. 511-514, 2005Y. Watanabe, T. Mitsui, T. Mineta, Y. Matsu and K. Okada, “SOI Micromachined 5-Axis Motion Sensor using Resonant Electrostatic Drive and Non-Resonant Capacitive Detection Mode”, Digest of Papers, Tranceducers '05, pp .511-514, 2005 「ＳＯＩウェハを用いた５軸モーションセンサとその設計−手法」（岡田和廣他６名電学論 E １２６巻６号２００６年ｐｐ．２６１−２６８）"5-axis motion sensor using SOI wafer and its design-method" (Kazuaki Okada et al., Electrical Engineering E 126, 6 2006, pp.261-268)

しかしながら、上述したような特許文献２に開示された検査装置は、回転テーブルの機構が複雑となり、また、角速度センサの装着、回転速度の安定化、測定後の回転停止、角速度センサの取り外しに時間を要するという問題があった。このため、角速度センサの製造においては、特性検査としての感度測定は必須であるため、検査コストを高めてしまうという問題があった。 However, the inspection apparatus disclosed in Patent Document 2 as described above has a complicated rotary table mechanism, and it takes time to mount the angular velocity sensor, stabilize the rotational speed, stop rotation after measurement, and remove the angular velocity sensor. There was a problem of requiring. For this reason, in the manufacture of the angular velocity sensor, since sensitivity measurement as a characteristic inspection is essential, there is a problem that inspection costs are increased.

また、上述した特許文献３に記載のシーソーを使う方式、及び上述した特許文献４及び５に記載の振り子を使う方式は、角速度が常に変化するため、角速度が所定値に達する時刻に合わせて短時間のうちに出力を測定する必要があり、また、出力は角速度センサの周波数特性に依存するようになるため、測定誤差が大きくなるという欠点があった。 In addition, the method using the seesaw described in Patent Document 3 and the method using the pendulum described in Patent Documents 4 and 5 described above are constantly changed in accordance with the time when the angular velocity reaches a predetermined value because the angular velocity constantly changes. Since the output needs to be measured in time, and the output depends on the frequency characteristics of the angular velocity sensor, there is a drawback that a measurement error increases.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡単な機構で短時間のうちに精度良く角速度センサの感度測定を可能とする角速度センサの感度測定装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor sensitivity measuring apparatus that enables accurate measurement of the angular velocity sensor sensitivity in a short time with a simple mechanism. It is to provide.

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、変位可能な重錘体に振動を与えることによって角速度を検出する角速度センサの感度測定方法であって、前記角速度センサのセンサ部を保持部材に取り付け、前記保持部材を、前記角速度センサが検出する角速度の回転軸方向である第１の方向と直交し、かつ前記角速度センサが角速度を検出するために前記重錘体に振動を与える第２の振動方向と直交する第３の振動方向に振動させ、第１の方向の角速度の感度を測定することを特徴とする。 The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to claim 1 is a method for measuring sensitivity of an angular velocity sensor that detects angular velocity by applying vibration to a displaceable weight body. The sensor portion of the angular velocity sensor is attached to a holding member, the holding member is orthogonal to a first direction that is a rotational axis direction of the angular velocity detected by the angular velocity sensor, and the angular velocity sensor detects the angular velocity. For this purpose, the weight body is vibrated in a third vibration direction orthogonal to a second vibration direction that gives vibration to the weight body, and the sensitivity of the angular velocity in the first direction is measured.

本発明によれば、角速度センサのセンサ部を取り付ける保持部材と、この保持部材を搭載する振動部材と、この振動部材に第１の振動方向の振動を与える振動発生手段とを備え、この振動発生手段による第１の振動方向が、センサ部の重錘体に与える第２の振動方向と一致しないようにしたので、簡単な機構で短時間のうちに角速度センサの感度測定を可能とする角速度センサの感度測定装置を提供することができる。 According to the present invention, it is provided with a holding member to which the sensor portion of the angular velocity sensor is attached, a vibration member on which the holding member is mounted, and a vibration generating means for applying vibration in the first vibration direction to the vibration member. Since the first vibration direction by the means does not coincide with the second vibration direction applied to the weight body of the sensor unit, the angular velocity sensor can measure the sensitivity of the angular velocity sensor in a short time with a simple mechanism. A sensitivity measuring apparatus can be provided.

（ａ）乃至（ｄ）は、従来の角速度センサの構成図で、図１（ａ）は上部ガラス基板、図１（ｂ）はＳＯＩ基板、図1（ｃ）は下部ガラス基板、図１（ｄ）は図１（ｂ）の裏面を各々示している。(A) thru | or (d) is a block diagram of the conventional angular velocity sensor, FIG.1 (a) is an upper glass substrate, FIG.1 (b) is an SOI substrate, FIG.1 (c) is a lower glass substrate, FIG. d) shows the back side of FIG. 角速度センサにより角速度を検出する原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle which detects an angular velocity with an angular velocity sensor. （ａ）乃至（ｄ）は、図２における信号波形図である。(A) thru | or (d) are the signal waveform diagrams in FIG. （ａ）乃至（ｃ）は、コリオリ力の発生を示す信号波形図である。(A) thru | or (c) are signal waveform diagrams which show generation | occurrence | production of Coriolis force. 角速度を検出する具体例を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the specific example which detects an angular velocity. 本発明に係る角速度センサの感度測定装置の一実施例を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating one Example of the sensitivity measuring apparatus of the angular velocity sensor which concerns on this invention. 図６に示した感度測定装置の構成を具体的に示したブロック構成図である。It is the block block diagram which showed the structure of the sensitivity measuring apparatus shown in FIG. 6 concretely.

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図６は、本発明に係る角速度センサの感度測定装置の一実施例を説明するための構成図である。なお、角速度センサ３０１は、図２に示したセンサ部１００を備えている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 6 is a block diagram for explaining an embodiment of the sensitivity measuring device for the angular velocity sensor according to the present invention. The angular velocity sensor 301 includes the sensor unit 100 shown in FIG.

角速度センサ３０１は振動テーブル３０２上に配置され、この振動テーブル３０２は、振動発生器３０３によって、図中Ｍで示した上下方向、すなわち、ｘ軸方向に振動されるように構成されている。また、センサ駆動用電源３０４は、角速度センサ３０１へ電源を供給するために接続され、角速度センサ３０１の出力は、電圧計３０５へ接続されて測定されるように構成されている。 The angular velocity sensor 301 is disposed on a vibration table 302. The vibration table 302 is configured to be vibrated in the vertical direction indicated by M in the drawing, that is, in the x-axis direction, by a vibration generator 303. The sensor driving power source 304 is connected to supply power to the angular velocity sensor 301, and the output of the angular velocity sensor 301 is connected to the voltmeter 305 and measured.

本発明の角速度センサ３０１の感度測定装置は、変位可能な重錘体に振動を与えることによって容量素子の静電容量の変化に基づいて角速度を検出するもので、角速度センサ３０１のセンサ部１００を取り付ける保持部材３０６と、この保持部材３０６を搭載する振動テーブル３０２と、この振動テーブル３０２に第１の振動方向の振動を与える振動発生器３０３とを備えている。そして、振動発生器３０３による第１の振動方向が、センサ部１００の重錘体１０４に与える第２の振動方向と一致しないようになっている。 The sensitivity measuring device for the angular velocity sensor 301 according to the present invention detects an angular velocity based on a change in capacitance of a capacitive element by applying vibration to a displaceable weight body. A holding member 306 to be attached, a vibration table 302 on which the holding member 306 is mounted, and a vibration generator 303 that applies vibration in the first vibration direction to the vibration table 302 are provided. And the 1st vibration direction by the vibration generator 303 does not correspond with the 2nd vibration direction given to the weight body 104 of the sensor part 100. FIG.

また、第１の振動方向が、角速度センサ３０１が検出する角速度の方向及び角速度センサ３０１が角速度を検出するために重錘体１０４に与える振動方向のどちらとも一致しないようにするとともに、第１の振動方向の振動周波数を、第２の振動方向の振動周波数と一致させるようになっている。 Further, the first vibration direction does not coincide with either the direction of the angular velocity detected by the angular velocity sensor 301 or the vibration direction given to the weight body 104 so that the angular velocity sensor 301 detects the angular velocity. The vibration frequency in the vibration direction is made to coincide with the vibration frequency in the second vibration direction.

また、第２の振動方向が、重錘体１０４に振動を与えるｚ軸方向であり、第１の振動方向が、重錘体１０４のｘ軸方向であり、角速度センサが検出する角速度の方向と第１の振動方向とが直交するようになっている。 Further, the second vibration direction is the z-axis direction that gives vibration to the weight body 104, the first vibration direction is the x-axis direction of the weight body 104, and the direction of the angular velocity detected by the angular velocity sensor The first vibration direction is orthogonal to the first vibration direction.

また、センサ部１００と、このセンサ部１００の処理回路が一体的になっていることを特徴とする。 Further, the sensor unit 100 and a processing circuit of the sensor unit 100 are integrated.

角速度センサ３０１は、センサ部１００の他にも、センサ部１００と一体的になっている処理回路として、図２に示した発振器２０１と移相器２０２と、図５におけるＣ／Ｖ変換部２０３乃至２０６と、加算部２０７，２０８と、減算部２０９と、＋９０°移相部２１０と、乗算部２１０と、ＬＰＦ部２１２やその他の電気回路及び配線を備えたものとしている。 In addition to the sensor unit 100, the angular velocity sensor 301 is a processing circuit integrated with the sensor unit 100, and includes an oscillator 201 and a phase shifter 202 illustrated in FIG. 2, and a C / V conversion unit 203 illustrated in FIG. To 206, addition units 207 and 208, a subtraction unit 209, a + 90 ° phase shift unit 210, a multiplication unit 210, an LPF unit 212, and other electric circuits and wirings.

なお、これらの処理回路は、センサ駆動用電源３０４や電圧計３０５にその一部が含まれていてもよい。 Note that a part of these processing circuits may be included in the sensor driving power source 304 and the voltmeter 305.

また、角速度センサ３０１に搭載された振動テーブル３０２の振動方向Ｍは、角速度センサ３０１の内部の重錘体１０４の振動方向Ｎと、検出する角速度の回転軸方向とのどちらにも一致しないようにすることが必要である。好ましくは、どちらとも直交するように方向を決めることが望ましい。 Further, the vibration direction M of the vibration table 302 mounted on the angular velocity sensor 301 does not coincide with either the vibration direction N of the weight body 104 inside the angular velocity sensor 301 or the rotation axis direction of the detected angular velocity. It is necessary to. Preferably, the direction is determined so that both are orthogonal.

以下、重錘体がｚ軸方向に振動運動を行い、角速度センサ３０１が角速度ωｙを検出するようになっているために、振動テーブル３０２の振動方向Ｍが角速度センサ３０１のｘ軸方向と一致させている場合について説明する。 Hereinafter, since the weight body vibrates in the z-axis direction and the angular velocity sensor 301 detects the angular velocity ωy, the vibration direction M of the vibration table 302 matches the x-axis direction of the angular velocity sensor 301. The case will be described.

図７は、図６に示した感度測定装置の構成を具体的に示したブロック構成図である。角速度センサ３０１は、センサ駆動用電源３０４に接続された発振器２０１と、発振器２０１に接続された移相器２０２と、発振器２０１と移相器２０２に接続されたセンサ部４０１と、センサ部４０１に接続されたＣ／Ｖ変換・加減算部４０２と、Ｃ／Ｖ変換・加減算部４０２に接続された検波部４０３とを備えている。角速度センサ３０１の出力は、検波部４０３の出力として電圧計３０５へ接続されて測定されるように構成されている。なお、センサ部４０１は、図２に示したセンサ部１００に相当している。 FIG. 7 is a block diagram specifically showing the configuration of the sensitivity measuring apparatus shown in FIG. The angular velocity sensor 301 includes an oscillator 201 connected to a sensor driving power supply 304, a phase shifter 202 connected to the oscillator 201, a sensor unit 401 connected to the oscillator 201 and the phase shifter 202, and a sensor unit 401. A connected C / V conversion / addition / subtraction unit 402 and a detection unit 403 connected to the C / V conversion / addition / subtraction unit 402 are provided. The output of the angular velocity sensor 301 is configured to be connected to the voltmeter 305 and measured as the output of the detection unit 403. The sensor unit 401 corresponds to the sensor unit 100 shown in FIG.

センサ部４０１は、図１及び図２における上部ガラス基板１０１とＳＯＩ基板１０２と下部ガラス基板１０３とから成る３層構造のセンサである。Ｃ／Ｖ変換・加減算部４０２は、センサ部４０１に接続され、静電容量Ｃ１乃至Ｃ４及びＣ６乃至Ｃ９を電圧に変換したのちに加減算を行うものである。検波部４０３は、Ｃ／Ｖ変換・加減算部４０２に接続され、発振器２０１の出力を参照信号としてＣ／Ｖ変換・加減算部４０２の出力の検波を行って角速度ωｘ若しくはωｙあるいはその両方を出力するものである。 The sensor unit 401 is a sensor having a three-layer structure including the upper glass substrate 101, the SOI substrate 102, and the lower glass substrate 103 in FIGS. The C / V conversion / addition / subtraction unit 402 is connected to the sensor unit 401, and performs addition / subtraction after converting the capacitances C1 to C4 and C6 to C9 into voltages. The detection unit 403 is connected to the C / V conversion / addition / subtraction unit 402, detects the output of the C / V conversion / addition / subtraction unit 402 using the output of the oscillator 201 as a reference signal, and outputs the angular velocity ωx and / or ωy. Is.

電圧計３０５は、角速度センサ３０１の出力を測定し、演算部４０５は、電圧計３０５からの測定結果を基に角速度センサ３０１の感度を計算するものである。 The voltmeter 305 measures the output of the angular velocity sensor 301, and the calculation unit 405 calculates the sensitivity of the angular velocity sensor 301 based on the measurement result from the voltmeter 305.

振動制御部４０４は、振動発生器３０３により発生される振動の振幅、周波数及び位相を制御するもので、このうち周波数は、発振器２０１の出力を参照し同一の周波数ｆ０に設定される。また、位相も発振器２０１の出力を参照し、任意の位相差φを設定することができるようになっている。 The vibration control unit 404 controls the amplitude, frequency, and phase of vibration generated by the vibration generator 303, and among these, the frequency is set to the same frequency f0 with reference to the output of the oscillator 201. Also, the phase can be set to an arbitrary phase difference φ with reference to the output of the oscillator 201.

以上のような角速度センサの感度測定装置において、角速度センサ３０１が、振動発生器３０３により発生される振動を受けると、角速度センサ３０１の内部の重錘体にはｘ軸方向の慣性力Ｆｉが生じる。 In the angular velocity sensor sensitivity measuring apparatus as described above, when the angular velocity sensor 301 receives vibration generated by the vibration generator 303, an inertia force Fi in the x-axis direction is generated in the weight body inside the angular velocity sensor 301. .

慣性力Ｆｉも周波数ｆ０で変化する。さらに、振動制御部４０４で設定される位相差φと振幅Ａを調整することにより、慣性力Ｆｉを所定の角速度ωｙが与えられている時のコリオリ力Ｆｃと同じにすることができる。したがって、この時の角速度センサ３０１の出力は、所定の角速度ωｙが与えられている時の値と同じとなる。 Inertial force Fi also changes at frequency f0. Furthermore, by adjusting the phase difference φ and the amplitude A set by the vibration control unit 404, the inertial force Fi can be made the same as the Coriolis force Fc when a predetermined angular velocity ωy is given. Accordingly, the output of the angular velocity sensor 301 at this time is the same as the value when the predetermined angular velocity ωy is given.

静止時の角速度センサ３０１の出力と、所定の位相差φ及び所定の角速度ωｙに対応した振幅Ａを設定した時の角速度センサ３０１の出力をそれぞれ電圧計３０５により測定し、演算部４０５で比例定数を計算して角速度センサ３０１の感度とする。あるいは複数の所定の角速度ωｙについてそれぞれ対応した位相差φと振幅Ａを設定した時の角速度センサ３０１の出力を電圧計３０５により測定し、演算部４０５で比例定数を計算して角速度センサ３０１の感度とする。 The output of the angular velocity sensor 301 at rest and the output of the angular velocity sensor 301 when the amplitude A corresponding to the predetermined phase difference φ and the predetermined angular velocity ωy is set are measured by the voltmeter 305, and the proportional constant is calculated by the calculation unit 405. Is calculated as the sensitivity of the angular velocity sensor 301. Alternatively, the output of the angular velocity sensor 301 when the phase difference φ and the amplitude A corresponding to each of a plurality of predetermined angular velocities ωy are set is measured by the voltmeter 305, and a proportionality constant is calculated by the calculation unit 405 to detect the sensitivity of the angular velocity sensor 301. And

所定の位相差φの値を得るためには、図４（ｃ）に示すように、コリオリ力Ｆｃと電圧Ｖ１の位相差が９０°になっていることから、慣性力Ｆｉと電圧Ｖ１の位相差も９０°となるような位相差φを探ればよい。具体的には、例えば、振動テーブル３０２の振動の加速度をモニタして、この加速度の波形と電圧Ｖ１の位相差が９０°になるような位相差φを探ればよい。 In order to obtain a predetermined value of the phase difference φ, as shown in FIG. 4C, the phase difference between the Coriolis force Fc and the voltage V1 is 90 °. What is necessary is just to search for the phase difference φ such that the phase difference is 90 °. Specifically, for example, the acceleration of the vibration of the vibration table 302 may be monitored to find the phase difference φ such that the phase difference between the acceleration waveform and the voltage V1 is 90 °.

所定の角速度ωｙに対応した振幅Ａの値を得る方法としては、例えば、あらかじめ所定の角速度ωｙに対する出力値が判っている角速度センサを用いて、出力値が同じになるような振幅Ａを探ればよい。 As a method of obtaining the value of the amplitude A corresponding to the predetermined angular velocity ωy, for example, by using an angular velocity sensor in which the output value for the predetermined angular velocity ωy is known in advance, the amplitude A with the same output value is searched for. Good.

１００センサ部
１０１上部ガラス基板
１０２ＳＯＩ基板
１０３下部ガラス基板
１０４重錘体
１０５乃至１０８梁部
Ｅ１乃至Ｅ５，Ｅ６乃至Ｅ１０電極
２０１発振器
２０２移相器
２０３乃至２０６Ｃ／Ｖ変換部
２０７，２０８加算部
２０９減算部
２１０＋９０°移相部
２１１乗算部
２１２ＬＰＦ部
３０１角速度センサ
３０２振動テーブル
３０３振動発生器
３０４センサ駆動用電源
３０５電圧計
３０６保持部材
４０１センサ部
４０２Ｃ／Ｖ変換・加減算部
４０３検波部
４０４振動制御部
４０５演算部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Sensor part 101 Upper glass substrate 102 SOI substrate 103 Lower glass substrate 104 Weight body 105 thru | or 108 Beam part E1 to E5, E6 thru | or E10 Electrode 201 Oscillator 202 Phase shifter 203 thru | or 206 C / V conversion part 207,208 Adder 209 Subtraction unit 210 + 90 ° phase shift unit 211 Multiply unit 212 LPF unit 301 Angular velocity sensor 302 Vibration table 303 Vibration generator 304 Power source for sensor drive 305 Voltmeter 306 Holding member 401 Sensor unit 402 C / V conversion / addition / subtraction unit 403 Detection unit 404 Vibration control unit 405 Calculation unit

Claims

変位可能な重錘体に振動を与えることによって角速度を検出する角速度センサの感度測定方法であって、A method for measuring sensitivity of an angular velocity sensor that detects angular velocity by applying vibration to a displaceable weight body,
前記角速度センサのセンサ部を保持部材に取り付け、A sensor part of the angular velocity sensor is attached to a holding member,
前記保持部材を、前記角速度センサが検出する角速度の回転軸方向である第１の方向と直交し、かつ前記角速度センサが角速度を検出するために前記重錘体に振動を与える第２の振動方向と直交する第３の振動方向に振動させ、A second vibration direction in which the holding member is orthogonal to a first direction that is a rotational axis direction of an angular velocity detected by the angular velocity sensor, and a vibration is applied to the weight body so that the angular velocity sensor detects the angular velocity. Vibrate in a third vibration direction orthogonal to
第１の方向の角速度の感度を測定することを特徴とする角速度センサの感度測定方法。A method for measuring sensitivity of an angular velocity sensor, characterized by measuring sensitivity of angular velocity in a first direction.

前記第３の振動方向の振動周波数を、前記第２の振動方向の振動周波数と一致させることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサの感度測定方法。2. The method of measuring sensitivity of an angular velocity sensor according to claim 1, wherein a vibration frequency in the third vibration direction is made to coincide with a vibration frequency in the second vibration direction.