JP5397171B2 - 振動型角速度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、本発明はMEMS(Micro Electro Mechanical System)による振動型角速度センサに関する。
従来、角速度センサに関して、複数の軸まわりの角速度を、励振方向を順に切り換えて、角軸まわりの角速度を時分割的に検出する手法が知られている(例えば、特許文献1,3)。また、検出された振動を示す信号の逆位相の信号を用いて、角速度が加わっていない状態での不要振動を除去する手段を有するジャイロスコープが知られている(例えば、特許文献2)。
特開2006−317462号公報 特開平8−122080号公報 特開平6−300568号公報
時分割的に複数の軸まわりの角速度を検出する手法では、切り換え後の励振方向に対応する軸まわりのコリオリ力を精度よく検出するためには、切り換え前の励振方向の振動が静定している必要がある。したがって、切り換え前の励振方向の振動を早く減衰できることが望まれる。
本発明は、時分割駆動方式の角速度センサにおいて、励振方向を切り換える際に切り換え前の励振方向の振動を早く減衰させることを目的の1つとする。
(1)上記目的を達成するための振動型角速度センサは、可撓部と、前記可撓部を支持する支持部と、前記可撓部と結合し前記可撓部とともに運動する錘部と、交する複数の励振方向に前記錘部を振動させる励振手段と、リオリ力に対応する検出方向における前記錘部の振動を検出する検出手段と、切り換え前の励振方向に前記錘部を振動させる駆動信号の印加終了後から切り換え前と別の励振方向に前記錘部を振動させる駆動信号を印加するまでの切り換え期間中に、切り換え前の前記錘部の振動に関連する信号に基づいて生成した静定信号を、前記励振手段に印加する静定制御手段と、を備える。
本発明によると、静定振動を加えない場合と比較して、切り換え前の励振方向の振動を早く減衰させることができる。励振方向の振動を早く減衰させることによって、時分割の動作周波数を高くすることができる。
(2)上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記静定制御手段は、切り換え前に前記励振手段に加されていた信号の位相を反転した信号を、前記励振手段に印加してもよい。
この場合、低コストな回路構成で静定信号を生成し、印加することができる。
(3)上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記静定制御手段は、前記検出手段によって検出された前記検出信号の位相を反転した信号を、前記励振手段に印加してもよい。
検出手段によって検出された錘部の振動を示す検出信号に基づいて、その逆位相の信号(振幅や周波数は同じ)を励振手段に印加することにより、錘部の振動を確実に減衰させることができる。
(4)上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記静定制御手段は、前記検出手段によって検出された前記検出信号と同じ振幅であって、切り換え前に前記励振手段によって印加されていた駆動信号と位相が反転した信号を、前記励振手段に印加してもよい。
検出手段により検出した振動の振幅で、位相は、駆動手段によって与えられていた励振振動の逆位相の振動を静定振動として与えることで、静定振動を加えない場合と比較して、錘部の切り換え前の励振方向の振動を早く減衰させることができる。
(5)上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記静定制御手段は、前記励振手段および前記検出手段の等価回路を用いて、切り換え前の励振方向の振動に対する静定信号をシミュレートし、前記シミュレートすることによって得られる静定信号を、前記励振手段に印加してもよい。
この場合、シミュレーションによって得られる、切り換え前の励振方向の振動を減衰するために効果的な静定信号を、励振手段に印加することができる。その結果、当該静定信号を印加しない場合と比較すると錘部の振動を早く減衰させることができる。
(1A)は第一実施形態にかかる振動型角速度センサの上面図、(1B)および(1C)は断面図。 (2A)は第一実施形態にかかる振動型角速度センサのブロック図、(2B)は圧電素子に印加する信号を説明する図。 (3A)は第二実施形態にかかる振動型角速度センサのブロック図、(3B)は圧電素子に印加する信号を説明する図。 (4A)は第三実施形態にかかる振動型角速度センサのブロック図、(4B)は圧電素子に印加する信号を説明する図、(4C)は等価回路を示す回路図。
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
1.第一実施形態
図1は本発明による振動型角速度センサの第一実施形態を示している。説明の便宜のために図1に示すように直交するxyz軸を定める。振動型角速度センサ1は、MEMSとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの半導体デバイス材料からなる積層構造体である。振動型角速度センサ1は図示しないパッケージに収容される。振動型角速度センサ1は、支持部10、錘部15、梁部12a、12b、12c、12d、駆動用圧電素子13、検出用圧電素子14などが形成されているダイ1aと駆動用圧電素子13および検出用圧電素子14に接続される後述する駆動検出回路とを備えている。駆動検出回路はダイ1aに形成しても良いし、ダイ1aとともに1つのパッケージに収容される別のダイに形成しても良いし、ダイ1aのパッケージとは別パッケージに収容される1つ以上のダイに形成しても良い。
ダイ1aを構成する各層の界面は図1Bおよび図1Cにおいて破線によって示されている。基層100は例えば厚さ625μmの単結晶珪素からなる。基層100は他の層に比べて突出して厚い層である。基層100は支持部10および錘部15の大部分を構成している。梁部12a、12b、12c、12dは、ばね層104と絶縁層106から構成されている。ばね層104と絶縁層106とは支持部10および錘部15の上層部をも構成しており、支持部10、梁部12a、12b、12c、12dおよび錘部15にわたって連続している。これにより支持部10、梁部12a、12b、12c、12dおよび錘部15が一体に連結されている。ばね層104は例えば厚さ10μmの単結晶珪素からなる。絶縁層106は例えば厚さ0.5μmの酸化珪素からなる。基層100とばね層104との間には製造時にエッチングストッパとして機能するストッパ層102が形成されている。ストッパ層102は例えば厚さ1μmの酸化珪素からなる。駆動用圧電素子13、検出用圧電素子14および図示しない配線要素(導線、ボンディングパッド等)は圧電層110とこれを両側から挟み込んでいる電極層108、112とからなる。電極層108、112は例えば厚さ0.1μmの白金からなる。圧電層110は例えば厚さ3μmのPZTからなる。
支持部10は矩形枠の形態を有する。支持部10は梁部12a、12b、12c、12dに比べて十分厚くパッケージに固定されるため実質的に剛体として振る舞う。支持部10は内側に梁部12a、12b、12c、12dおよび錘部15が収まる空間を形成し実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。
可撓性を有する4つの梁部12a、12b、12c、12dは、いずれも一端が支持部10に他端が錘部15に結合している。すなわち4つの梁部12a、12b、12c、12dは支持部10の内側において錘部15を支持している。4つの梁部12a、12b、12c、12dは、支持部10の内側に十字形に配置され、xy平面と平行に整列している。梁部12a、12cの対は、y軸方向に整列し、それぞれy軸方向に延びている。梁部12b、12dの対は、x軸方向に整列し、それぞれx軸方向に延びている。4つの梁部12a、12b、12c、12dは、錘部15と支持部10とを構成している複数の層のうち突出して厚い基層100を含まないため、錘部15と支持部10に対して十分z方向に薄い扁平な板形である。したがって4つの梁部12a、12b、12c、12dは、それぞれ一端が支持部10に固定され他端が支持部10に対して変位する弾性梁として振る舞う。扁平な梁部12a、12b、12c、12dがz軸方向に撓むことによって錘部15は支持部10に対してx、y、z軸のそれぞれの方向に振動可能である。
錘部15は4つの梁部12a、12b、12c、12dと結合している中央部と、隣り合う梁部12の間に中央部から突出する4つの周辺部とが結合した形態を有する。錘部15は支持部10を構成している複数の層のうち突出して厚い基層100を含むため、支持部10に対して3次元運動する剛体として振る舞う。中央部は梁部12を構成している層を含む支持部10と同一の積層構造を有し、周辺部は梁部12を構成している層を含まない。z軸方向において梁部12よりも厚い錘部15のz軸方向の端部に梁部12が結合しているため、錘部15の重心は梁部12を含む平面からz軸方向に離間している。したがって、錘部15にx軸方向またはy軸方向の慣性力が作用すると、錘部15の重心の運動はx軸またはy軸周りの回転を伴う運動となる。錘部15の重心のx軸方向の振動には梁部12b、12dの撓み振動が伴う。錘部15の重心のy軸方向の振動には梁部12a、12cの撓み振動が伴う。錘部15の重心のz軸方向の振動には梁部12a、12b、12c、12dの撓み振動が伴う。
梁部12a、12b、12c、12dのそれぞれの表面の支持部10との境界近傍に励振部として駆動用圧電素子13a、13b、13c、13dが設けられる。錘部15のy軸方向の励振は、y軸方向に整列している駆動用圧電素子13a、13cに極性が互いに逆の励振信号を印加することによって行われる。すなわち駆動用圧電素子13a、13cはy軸励振部として機能する。錘部15のz軸方向の励振は、x軸方向に整列している駆動用圧電素子13b、13dに極性が一致した励振信号を印加することによって行われる。すなわち駆動用圧電素子13b、13dはz軸励振部として機能する。
それぞれの梁部12の表面の錘部15との境界近傍に検出手段として検出用圧電素子14a、14b、14c、14dが設けられる。支持部10に対して錘部15の重心がx軸方向に変位するとき、x軸方向に整列している梁部12b、12dの表面の支持部10との境界近傍領域は一方が延びて他方が縮む。したがって、梁部12b、12dの表面の支持部10との境界近傍に設けられている検出用圧電素子14b、14dの対は、支持部10に対する錘部15のx軸方向の振動を検出するx軸検出部として機能する。支持部10に対して錘部15の重心がy軸方向に変位するとき、y軸方向に整列している梁部12a、12cの表面の支持部10との境界近傍領域は一方が延びて他方が縮む。したがって、梁部12a、12cの表面の支持部10との境界近傍に設けられている検出用圧電素子14a、14cの対は、支持部10に対する錘部15のy軸方向の振動を検出するy軸検出部として機能する。
ダイ1aがx軸周りに回転するとz軸方向に進行する錘部15の重心に対してy軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部15がz軸方向に振動している場合、x軸周りの回転に伴うy軸と平行なコリオリ力も振動するため、ダイ1aがx軸周りに回転すると錘部15の重心はz軸の参照振動と同じ振動数においてy軸と平行に振動する。すなわちx軸周りの角速度は錘部15の重心のy軸方向の振動に基づいて導出される。
ダイ1aがy軸周りに回転するとz軸方向に進行する錘部15の重心に対してx軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部15がz軸方向に振動している場合、y軸周りの回転に伴うx軸と平行なコリオリ力も振動するため、ダイ1aがy軸周りに回転すると錘部15の重心はz軸の参照振動と同じ振動数においてx軸と平行に振動する。すなわちy軸周りの角速度は錘部15の重心のx軸方向の振動に基づいて導出される。
ダイ1aがz軸周りに回転するとy軸方向に進行する錘部15の重心に対してx軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部15がy軸方向に振動している場合、z軸周りの回転に伴うx軸と平行なコリオリ力も振動するため、ダイ1aがz軸周りに回転すると錘部15の重心はy軸の参照振動と同じ振動数においてx軸と平行に振動する。すなわちz軸周りの角速度は錘部15の重心のx軸方向の振動に基づいて導出される。
図2Aは振動型角速度センサ1の回路構成を示すブロック図である。図2Bは駆動用圧電素子13a、13b、13c、13dに印加される信号のタイミングや位相を説明する図である(励振期間中あるいは反転期間中に駆動用圧電素子に印加される信号の波数は例示でありこれに限定されない)。駆動信号生成回路21、時分割制御回路23、反転回路22は上述の駆動検出回路を構成する一部である。振動部24には、梁部12a、12b、12c、12dに形成された駆動用圧電素子13と検出用圧電素子14が含まれる。駆動信号生成回路21は、駆動用圧電素子13a、13b、13c、13dに印加するための励振信号Dy1、Dy2、Dz1、Dz2を生成する回路である。駆動信号生成回路21から出力される励振信号Dy1、Dy2、Dz1、Dz2は、時分割制御回路23が生成するタイミングに基づいて、y軸方向の励振信号の出力とz軸方向の励振信号の出力とを切り換えて、駆動用圧電素子に印加される。駆動用圧電素子13a、13cに印加される励振信号Dy1、Dy2は駆動用圧電素子13a、13cが設けられている梁部12a、12cが整列しているy軸方向に錘部15の重心を振動させる信号である。励振信号Dy1、Dy2は、同一の振動数および振幅で振動し、πだけ位相が相互にずれている。駆動用圧電素子13b、13dに印加される励振信号Dz1、Dz2は錘部15の重心をz軸方向に振動させる信号である。励振信号Dz1、Dz2は、振動数、振幅、位相が互いに一致している。
y軸方向に整列している検出用圧電素子14a、14cからそれぞれ出力される信号に基づいて錘部15の重心のy軸方向の振動を表す信号が得られる。具体的には、上述したように、支持部10に対して錘部15の重心がy軸方向に変位するとき、y軸方向に整列している梁部12a、12cの表面の支持部10との境界近傍領域は一方が延びて他方が縮むため、梁部12a、12cの表面に設けられた検出用圧電素子14a、14cからそれぞれ出力される信号の極性は互いに逆になる。したがって検出用圧電素子14a、14cから出力された信号の差分を取ることによって錘部15の重心のy軸方向の振動を表す信号yを得ることができる。
x軸方向に整列している検出用圧電素子14b、14dからそれぞれ出力される信号に基づいて、錘部15の重心のx軸方向の振動を表す信号が得られる。具体的には、上述したように、支持部10に対して錘部15の重心がx軸方向に変位するとき、x軸方向に整列している梁部12b、12dの表面の支持部10との境界近傍領域は一方が延びて他方が縮むため、梁部12b、12dの表面に設けられた検出用圧電素子14b、14dから出力される信号の極性は互いに逆になる。したがってそれらの信号の差分を取ることによって錘部15の重心のx軸方向の振動を表す信号xが得られる。
支持部10に対して錘部15の重心がz軸方向に変位するとき、x軸方向に整列している梁部12b、12dの表面の支持部10との境界近傍領域は一方が延びるとき他方も延び一方が縮むとき他方も縮むため、梁部12b、12dの表面に設けられた検出用圧電素子14b、14dから出力される信号の極性は一致する。したがって、検出用圧電素子14b、14dから出力された信号の和分を取ることによって錘部15の重心のz軸方向の振動を表す信号zが得られる。
駆動信号生成回路21は、y軸方向に錘部15を振動させるための励振信号Dy1、Dy2と、z軸方向に錘部15を振動させるための励振信号Dz1、Dz2を時分割制御回路23の生成するタイミングa1にしたがって時分割して出力する。y軸方向に錘部15を振動させるための励振信号Dy1、Dy2を印加しているy軸励振期間においては、錘部15の重心のy軸方向の参照振動を表す信号として信号yを扱い、y軸方向の参照振動に対してz軸周りの角速度に伴って作用するコリオリ力を表す信号として信号xを扱う。z軸方向に錘部15を振動させるための励振信号Dz1、Dz2を印加しているz軸励振期間においては、錘部15の重心のz軸方向の参照振動を表す信号として信号zを扱い、z軸方向の参照振動に対してy軸周りの角速度にともなって発生するコリオリ力を表す信号として信号xを扱うとともに、z軸方向の参照振動に対してx軸周りの角速度にともなって発生するコリオリ力を表す信号として信号yを扱う。
本実施形態では、y軸励振期間とz軸励振期間との間の切り換え期間に、切り換え前の励振振動を静定するための信号を印加する。具体的には、時分割制御回路23が生成するタイミングa2に基づいて、反転回路22によって励振信号の位相が反転された信号が駆動用圧電素子に印加される。その結果、励振と同じ振幅および周波数で位相が反転した信号を駆動用圧電素子13に印加することができ、切り換え期間の直前まで印加されていた励振信号による振動を静定することができる。ただし、次の軸方向の励振期間の開始直前まで上述の逆位相の信号を印加するのではなく、次の軸方向の励振期間開始までに所定時間を残して印加を終了する。すなわち、静定振動を起こすための信号の印加を終了してから次の軸方向の励振のための信号を印加するまでの間、自然な減衰に任せる期間を設ける。
なお、本実施形態によると、低コストで静定信号を生成し印加することができる。
2.第二実施形態
図3Aは、第二実施形態にかかる振動型角速度センサの回路構成を示すブロック図である。図3Bは、駆動用圧電素子13a、13b、13c、13dに印加される信号のタイミングや位相を説明する図である。振動型角速度センサの機械的構成は第一実施形態と共通であるため説明を省略する。
本実施形態では、励振方向を切り換える前に、検出用圧電素子14a、14b、14c、14dによって検出された信号に基づいて生成した静定信号を駆動用圧電素子13a、13b、13c、13dに印加する。具体的には、検出用圧電素子14a、14b、14c、14dによって検出された信号が示す振動と振幅・周波数が同じで位相が反転した振動を加えるための信号を、フィードバック制御回路25において静定信号として生成し、駆動用圧電素子13a、13b、13c、13dに印加する。なお、フィードバック制御回路25によって静定信号が印加されている期間は、駆動信号生成回路21から励振信号は出力されない。以上のように、本実施形態では、検出用圧電素子14によって検出された振動を示す検出信号の振幅・周波数・位相に基づいて生成された静定信号を駆動用圧電素子13に加えることにより、振動を確実に減衰させることができる。
なお、その他の実施形態として、フィードバック制御回路25は、検出用圧電素子14によって検出された振動と同じ振幅の振動であって、直前に駆動用圧電素子13によって加えられていた振動と位相が反転した振動を起こすための信号を、駆動用圧電素子13に加えてもよい。すなわち、振幅のみフィードバックし、位相は駆動用圧電素子13に直前まで印加していた振動の位相と逆位相となる信号を静定信号として印加してもよい。なお、この場合、第一実施形態と同様に、静定信号の印加を終了してから切り換え後の軸方向の励振のための信号を印加するまでの間、自然な減衰に任せる期間を設けるようにしてもよい。
3.第三実施形態
図4Aは、第三実施形態にかかる振動型角速度センサの回路構成を示すブロック図である。図4Bは、駆動用圧電素子13a、13b、13c、13dに印加される信号のタイミングや位相を説明する図である。機械的構成は第一実施形態と共通であるため説明を省略する。本実施形態では、振動部の等価回路を用いて、切り換え前の励振方向の振動を減衰するために効果的な静定信号をシミュレートし、シミュレートによって得られた最適な静定信号を静定信号生成回路26によって生成し、駆動用圧電素子13に印加する。なお、静定信号生成回路26によって静定信号が印加されている期間は、駆動信号生成回路21から励振信号は出力されない。図4Cは駆動部と振動部と検出部の等価回路を示している。本実施形態によると、シミュレートにより効果的な静定信号を導くことができるため、確実に切り換え前の振動を静定することができる。
4.他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や形状はあくまで例示である。
1:振動型角速度センサ、1a:ダイ、10:支持部、12(12a、12b、12c、12d):梁部、13(13a、13b、13c、13d):駆動用圧電素子、14(14a、14b、14c、14d):検出用圧電素子、15:錘部、21:駆動信号生成回路、22:反転回路、23:時分割制御回路、24:振動部、25:フィードバック制御回路、100:基層、102:ストッパ層、104:ばね層、106:絶縁層、108:電極層、110:圧電層、112:電極層。

Claims (6)

  1. 可撓部と、
    前記可撓部を支持する支持部と、
    前記可撓部と結合し前記可撓部とともに運動する錘部と、
    直交する複数の励振方向に前記錘部を振動させる励振手段と、
    コリオリ力に対応する検出方向における前記錘部の振動を検出する検出手段と、
    切り換え前の励振方向に前記錘部を振動させる駆動信号の印加終了後から切り換え前と別の励振方向に前記錘部を振動させる駆動信号を印加するまでの切り換え期間中に、切り換え前の前記錘部の振動に関連する信号に基づいて生成した静定信号を、前記切換期間終了まで所定時間を残して前記励振手段に印加するとともに、前記静定信号の印加後に前記錘部の振動を自然減衰させる静定制御手段と、
    を備える振動型角速度センサ。

  2. 前記静定制御手段は、切り換え前に前記励振手段に加されていた信号の位相を反転した信号を、前記励振手段に印加する、
    請求項1に記載の振動型角速度センサ。
  3. 前記静定制御手段は、前記検出手段によって検出された前記検出信号の位相を反転した信号を、前記励振手段に印加する、
    請求項1に記載の振動型角速度センサ。
  4. 前記静定制御手段は、前記検出手段によって検出された前記検出信号と同じ振幅であって、切り換え前に前記励振手段に印加されていた駆動信号と位相が反転した信号を、前記励振手段に印加する、
    請求項1に記載の振動型角速度センサ。
  5. 前記静定制御手段は、前記励振手段および前記検出手段の等価回路を用いて、切り換え前の励振方向の振動に対する静定信号をシミュレートし、前記シミュレートすることによって得られる静定信号を、前記励振手段に印加する、
    請求項1に記載の振動型角速度センサ。
  6. 前記励振手段および前記検出手段は圧電素子である、
    請求項1から5のいずれか一項に記載の振動型角速度センサ。
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