JPH11295075A - 三次元角速度センサ - Google Patents
三次元角速度センサInfo
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- JPH11295075A JPH11295075A JP10112801A JP11280198A JPH11295075A JP H11295075 A JPH11295075 A JP H11295075A JP 10112801 A JP10112801 A JP 10112801A JP 11280198 A JP11280198 A JP 11280198A JP H11295075 A JPH11295075 A JP H11295075A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】簡易な構成で３軸回りの角速度を高精度で検出
できる三次元角速度センサを提供すること。 【解決手段】本発明の三次元角速度センサ１は、基板２
上に、第１の素子３と第２の素子５とが設置された構成
をなしている。第１の素子３の質量部３１は、Ｘ方向に
加振されている。これにより、Ｚ軸回りの角速度が作用
したとき、Ｙ軸方向にコリオリ力による振動が生じ、こ
の振動を検出することによりＺ軸回りの角速度を検出す
ることができる。第２の素子５の質量部５１は、Ｚ方向
に加振されている。これにより、Ｘ軸回りの角速度が作
用したとき、Ｙ軸方向にコリオリ力による振動が生じ、
Ｙ軸回りの角速度が作用したとき、Ｘ軸方向にコリオリ
力による振動が生じ、これらの振動を検出することによ
り、それぞれＸ軸回りおよびＹ軸回りの角速度を検出す
ることができる。
できる三次元角速度センサを提供すること。 【解決手段】本発明の三次元角速度センサ１は、基板２
上に、第１の素子３と第２の素子５とが設置された構成
をなしている。第１の素子３の質量部３１は、Ｘ方向に
加振されている。これにより、Ｚ軸回りの角速度が作用
したとき、Ｙ軸方向にコリオリ力による振動が生じ、こ
の振動を検出することによりＺ軸回りの角速度を検出す
ることができる。第２の素子５の質量部５１は、Ｚ方向
に加振されている。これにより、Ｘ軸回りの角速度が作
用したとき、Ｙ軸方向にコリオリ力による振動が生じ、
Ｙ軸回りの角速度が作用したとき、Ｘ軸方向にコリオリ
力による振動が生じ、これらの振動を検出することによ
り、それぞれＸ軸回りおよびＹ軸回りの角速度を検出す
ることができる。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、互いに直交するＸ
軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度を検出
する三次元角速度センサに関するものである。
軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度を検出
する三次元角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】加速度センサ、角速度センサ等、慣性を
検出するセンサは、例えば、自動車のエアバック、走行
制御装置、バーチャルリアリティ関連の３Ｄ入力装置、
各種製造機器の制御装置等に用いられている。
検出するセンサは、例えば、自動車のエアバック、走行
制御装置、バーチャルリアリティ関連の３Ｄ入力装置、
各種製造機器の制御装置等に用いられている。
【０００３】近年、各種機器の小型化が進む中で、それ
に搭載されるセンサに対しても小型化の要求が強まって
いる。特に人が手に持つ機器、あるいは身につける機器
に用いるセンサについてはその要求が大きい。
に搭載されるセンサに対しても小型化の要求が強まって
いる。特に人が手に持つ機器、あるいは身につける機器
に用いるセンサについてはその要求が大きい。
【０００４】また、自動車の走行制御装置では、従来、
１軸方向のみの加速度を測定していたが、制御が高度化
するに伴い多軸方向の加速度、さらには角速度の測定も
求められるようになってきている。
１軸方向のみの加速度を測定していたが、制御が高度化
するに伴い多軸方向の加速度、さらには角速度の測定も
求められるようになってきている。
【０００５】また、３Ｄ入力装置は、当初より多軸方向
の加速度あるいは角速度の検出を必要としている。
の加速度あるいは角速度の検出を必要としている。
【０００６】以上のように、この種のセンサには、小型
で多軸方向の加速度、角速度を検出できることが求めら
れている。
で多軸方向の加速度、角速度を検出できることが求めら
れている。
【０００７】従来の加速度センサや角速度センサは、３
軸（互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸）のうちの１
の軸に対する加速度または１つの軸回りの角速度を検出
するものが大部分であった。
軸（互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸）のうちの１
の軸に対する加速度または１つの軸回りの角速度を検出
するものが大部分であった。
【０００８】そのため、３軸方向の加速度および３軸回
りの角速度を検出するためには、３個の加速度センサと
３個の角速度センサとを必要とした。従って、合計６軸
の動作を検出しようとすると、３個のセンサを要するの
で、装置が大型となり、前述した要求を満足できなかっ
た。
りの角速度を検出するためには、３個の加速度センサと
３個の角速度センサとを必要とした。従って、合計６軸
の動作を検出しようとすると、３個のセンサを要するの
で、装置が大型となり、前述した要求を満足できなかっ
た。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、簡易
な構成で３軸回りの角速度を精度よく検出することがで
きる三次元角速度センサを提供することにある。
な構成で３軸回りの角速度を精度よく検出することがで
きる三次元角速度センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（６）の本発明により達成される。
（１）〜（６）の本発明により達成される。
【００１１】（１） コリオリ力を利用して互いに直交
するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度
を検出する三次元角速度センサであって、前記Ｘ軸、Ｙ
軸およびＺ軸のうちのいずれか１つの軸の軸回りの角速
度を検出する第１の素子と、前記Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸
のうちの残りの２つの軸の軸回りの角速度をそれぞれ検
出する第２の素子とを備えることを特徴とする三次元角
速度センサ。
するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度
を検出する三次元角速度センサであって、前記Ｘ軸、Ｙ
軸およびＺ軸のうちのいずれか１つの軸の軸回りの角速
度を検出する第１の素子と、前記Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸
のうちの残りの２つの軸の軸回りの角速度をそれぞれ検
出する第２の素子とを備えることを特徴とする三次元角
速度センサ。
【００１２】（２） コリオリ力を利用して互いに直交
するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度
を検出する三次元角速度センサであって、質量部に前記
Ｘ軸または前記Ｙ軸方向の振動を与えて、Ｚ軸の軸回り
の角速度を検出する第１の素子と、質量部に前記Ｚ軸方
向の振動を与えて、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の軸回りの
角速度をそれぞれ検出する第２の素子とを備えることを
特徴とする三次元角速度センサ。
するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度
を検出する三次元角速度センサであって、質量部に前記
Ｘ軸または前記Ｙ軸方向の振動を与えて、Ｚ軸の軸回り
の角速度を検出する第１の素子と、質量部に前記Ｚ軸方
向の振動を与えて、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の軸回りの
角速度をそれぞれ検出する第２の素子とを備えることを
特徴とする三次元角速度センサ。
【００１３】（３） 前記第１の素子および前記第２の
素子における質量部の前記Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸方向の
振動の周波数は、当該軸方向における質量部の共振周波
数にほぼ等しい上記（２）に記載の三次元角速度セン
サ。
素子における質量部の前記Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸方向の
振動の周波数は、当該軸方向における質量部の共振周波
数にほぼ等しい上記（２）に記載の三次元角速度セン
サ。
【００１４】（４） 前記第１の素子と前記第２の素子
とが、同一基体上に設置されている上記（１）ないし
（３）のいずれかに記載の三次元角速度センサ。
とが、同一基体上に設置されている上記（１）ないし
（３）のいずれかに記載の三次元角速度センサ。
【００１５】（５） 前記第１の素子が、前記Ｘ軸、Ｙ
軸およびＺ軸のうちの少なくとも１つの軸方向の加速度
を検出する機能を有する上記（１）ないし（４）のいず
れかに記載の三次元角速度センサ。
軸およびＺ軸のうちの少なくとも１つの軸方向の加速度
を検出する機能を有する上記（１）ないし（４）のいず
れかに記載の三次元角速度センサ。
【００１６】（６） 前記第２の素子が、前記Ｘ軸、Ｙ
軸およびＺ軸のうちの少なくとも１つの軸方向の加速度
を検出する機能を有する上記（１）ないし（５）のいず
れかに記載の三次元角速度センサ。
軸およびＺ軸のうちの少なくとも１つの軸方向の加速度
を検出する機能を有する上記（１）ないし（５）のいず
れかに記載の三次元角速度センサ。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の三次元角速度セン
サの実施形態について詳細に説明する。まず、加速度検
出の原理および角速度検出の原理について説明する。
サの実施形態について詳細に説明する。まず、加速度検
出の原理および角速度検出の原理について説明する。
【００１８】＜加速度検出の原理＞図１に示すように、
質量ｍ（kg）の重り（質量部）１１が等価ばね定数ｋ
（N/m ）の梁１２によって基板１０上に図中矢印Ａ方向
に移動可能に支持されているとする。ここにＡ方向の加
速度α(m/s2)が加わると、重り１１は、初期位置からΔ
ｄ＝ｍ・α／ｋ分変位する。
質量ｍ（kg）の重り（質量部）１１が等価ばね定数ｋ
（N/m ）の梁１２によって基板１０上に図中矢印Ａ方向
に移動可能に支持されているとする。ここにＡ方向の加
速度α(m/s2)が加わると、重り１１は、初期位置からΔ
ｄ＝ｍ・α／ｋ分変位する。
【００１９】加速度αを例えば静電容量の変化で検出す
る場合、重り１１の左右に設置された電極１３、１４間
のコンデンサ容量Ｃ1 、Ｃ2 は、空気の誘電率ε0 、電
極面積Ｓ（m2）、電極間隔ｄ0 （m ）を用いて、次式
［１］に表わせる。
る場合、重り１１の左右に設置された電極１３、１４間
のコンデンサ容量Ｃ1 、Ｃ2 は、空気の誘電率ε0 、電
極面積Ｓ（m2）、電極間隔ｄ0 （m ）を用いて、次式
［１］に表わせる。
【００２０】
【数１】
【００２１】これより、次式［２］なる関係が得られ
る。
る。
【００２２】
【数２】
【００２３】式［２］より、左右の電極１３、１４の容
量の平均変化率は、加速度αに比例していることが分か
る。従って、静電容量センサにより左右電極容量の平均
変化率を検出することにより、加速度αを求めることが
できる。
量の平均変化率は、加速度αに比例していることが分か
る。従って、静電容量センサにより左右電極容量の平均
変化率を検出することにより、加速度αを求めることが
できる。
【００２４】＜角速度検出の原理＞振動している重り
（質量部）１１に角速度が加わると、コリオリ力が発生
する。
（質量部）１１に角速度が加わると、コリオリ力が発生
する。
【００２５】図２（ａ）に示すように、重り１１にＹ軸
方向の振動を与えた状態でＺ軸回りの角速度が加わる
と、Ｘ軸方向に、次式［３］で示されるコリオリ力が発
生する。
方向の振動を与えた状態でＺ軸回りの角速度が加わる
と、Ｘ軸方向に、次式［３］で示されるコリオリ力が発
生する。
【００２６】ＦC ＝２ｍｖΩ ・・・［３］
【００２７】ここで、ｍは重り１１の質量、ｖは重り１
１の速度ベクトル、Ωは印加角速度ベクトルである。す
なわち、コリオリ力は、質量の運動ベクトルと印加角速
度ベクトルのベクトル積に比例した力である。
１の速度ベクトル、Ωは印加角速度ベクトルである。す
なわち、コリオリ力は、質量の運動ベクトルと印加角速
度ベクトルのベクトル積に比例した力である。
【００２８】角速度センサは、図１を基本原理としてお
り、重り１１を正弦的に振動させ、それにより発生する
コリオリ力を検出する。
り、重り１１を正弦的に振動させ、それにより発生する
コリオリ力を検出する。
【００２９】重り１１がＹ方向にｙ＝Ｄsin(ωt)で変位
している状態で、Ｘ軸回りの角速度ΩX が加えられたと
すると、重り１１に与えられる加速度αは、次式［４］
で示される。
している状態で、Ｘ軸回りの角速度ΩX が加えられたと
すると、重り１１に与えられる加速度αは、次式［４］
で示される。
【００３０】α＝２Ｄωcos(ωt)ΩX ・・・［４］
【００３１】また、この加速度αをバネ定数ｋで支持し
た重り１１の変位で検出する場合、重り１１の変位は、
Ｚ方向に変位し、その変位量ｚは、次式［５］で示され
る。
た重り１１の変位で検出する場合、重り１１の変位は、
Ｚ方向に変位し、その変位量ｚは、次式［５］で示され
る。
【００３２】 ｚ＝２Ｄｍωcos(ωt)ΩX ／ｋ ・・・［５］
【００３３】従って、この変位量ｚを例えば前述した静
電容量の変化のような所定の方法で検出することによ
り、Ｚ方向のコリオリ力を測定することができる。
電容量の変化のような所定の方法で検出することによ
り、Ｚ方向のコリオリ力を測定することができる。
【００３４】ところで、角速度の検出には、次のような
問題がある。前述したように、角速度の測定は、コリオ
リ力による重り１１の変位を検出することにより行う
が、コリオリ力が発生する方向は、重りの振動方向と角
速度が加わる軸の方向により決定する。
問題がある。前述したように、角速度の測定は、コリオ
リ力による重り１１の変位を検出することにより行う
が、コリオリ力が発生する方向は、重りの振動方向と角
速度が加わる軸の方向により決定する。
【００３５】図２（ａ）に示す場合では、前述したよう
に、Ｙ軸方向に振動している重りにＺ軸回りの角速度が
加わると、Ｘ軸方向にコリオリ力が発生する。同様に重
りがＸ軸方向に振動し、Ｙ軸回りに角速度が加わると、
コリオリ力はＺ軸方向に現われる。すなわち、ある方向
に振動している重りに角速度が加わった場合、角速度が
加わった軸を法線とする面において、重りが振動してい
る方向に対し直角方向にコリオリ力が現われる。
に、Ｙ軸方向に振動している重りにＺ軸回りの角速度が
加わると、Ｘ軸方向にコリオリ力が発生する。同様に重
りがＸ軸方向に振動し、Ｙ軸回りに角速度が加わると、
コリオリ力はＺ軸方向に現われる。すなわち、ある方向
に振動している重りに角速度が加わった場合、角速度が
加わった軸を法線とする面において、重りが振動してい
る方向に対し直角方向にコリオリ力が現われる。
【００３６】ここで、１つの重り１１でＸ軸、Ｙ軸およ
びＺ軸の各軸回り（３軸回り）の角速度を測定すること
の可能性を考える。
びＺ軸の各軸回り（３軸回り）の角速度を測定すること
の可能性を考える。
【００３７】図２（ｂ）に示すように、重り１１がＺ軸
方向に振動しているとする。Ｘ軸回りに角速度ΩX が加
わったとき、それによるコリオリ力はＹ軸方向に現われ
る。同様にＹ軸回りに角速度ΩY が加わったとき、それ
によるコリオリ力はＸ軸方向に現われる。従って、重り
１１をＺ軸方向に振動させておけば、Ｘ軸およびＹ軸回
りの角速度ΩX 、ΩY の検出が可能になる。そして、残
りのＺ軸回りの角速度ΩZ が検出できれば、３軸回りの
角速度が全て測定できることになる。
方向に振動しているとする。Ｘ軸回りに角速度ΩX が加
わったとき、それによるコリオリ力はＹ軸方向に現われ
る。同様にＹ軸回りに角速度ΩY が加わったとき、それ
によるコリオリ力はＸ軸方向に現われる。従って、重り
１１をＺ軸方向に振動させておけば、Ｘ軸およびＹ軸回
りの角速度ΩX 、ΩY の検出が可能になる。そして、残
りのＺ軸回りの角速度ΩZ が検出できれば、３軸回りの
角速度が全て測定できることになる。
【００３８】重り１１はＺ軸方向に振動しているが、同
時にＹ軸方向にも振動するようにしたとする。そのと
き、Ｚ軸回りの角速度ΩZ によるコリオリ力はＸ軸方向
に現われる（図２（ａ）参照）。しかし、重り１１はＺ
軸方向に振動しているので、Ｘ軸方向にはＹ軸回りの角
速度ΩY によるコリオリ力も現われる（図２（ｂ）参
照）。すなわち、重り１１がＺ軸方向とＹ軸方向にそれ
ぞれ振動していれば、Ｘ軸方向には、Ｙ軸回りの角速度
ΩY によるコリオリ力と、Ｚ軸回りの角速度によるコリ
オリ力ΩZ とが重畳されて現れることとなる。この関係
は、重り１１をＺ軸方向とＸ軸方向にそれぞれ振動させ
た場合や、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ振動させた場
合も同様である。
時にＹ軸方向にも振動するようにしたとする。そのと
き、Ｚ軸回りの角速度ΩZ によるコリオリ力はＸ軸方向
に現われる（図２（ａ）参照）。しかし、重り１１はＺ
軸方向に振動しているので、Ｘ軸方向にはＹ軸回りの角
速度ΩY によるコリオリ力も現われる（図２（ｂ）参
照）。すなわち、重り１１がＺ軸方向とＹ軸方向にそれ
ぞれ振動していれば、Ｘ軸方向には、Ｙ軸回りの角速度
ΩY によるコリオリ力と、Ｚ軸回りの角速度によるコリ
オリ力ΩZ とが重畳されて現れることとなる。この関係
は、重り１１をＺ軸方向とＸ軸方向にそれぞれ振動させ
た場合や、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ振動させた場
合も同様である。
【００３９】通常、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の振動周波数は、
コリオリ力の検出感度を高めるため各々の軸の共振周波
数とされる。従って、コリオリ力による変位もその周波
数で現われる。すなわち、上記の仮定でＸ軸に現われる
２種のコリオリ力による出力は、同一の周波数を持つこ
とになり、フィルタ等の簡易な電気回路により各コリオ
リ力毎の信号に分離することは困難である。
コリオリ力の検出感度を高めるため各々の軸の共振周波
数とされる。従って、コリオリ力による変位もその周波
数で現われる。すなわち、上記の仮定でＸ軸に現われる
２種のコリオリ力による出力は、同一の周波数を持つこ
とになり、フィルタ等の簡易な電気回路により各コリオ
リ力毎の信号に分離することは困難である。
【００４０】以上より、１つの重り（素子）で３軸回り
の角速度を精度良く測定すること、すなわち、高精度の
三次元角速度センサを構成することは、不可能である。
の角速度を精度良く測定すること、すなわち、高精度の
三次元角速度センサを構成することは、不可能である。
【００４１】そこで、本発明では、コリオリ力が重畳し
ないように、２つの素子を用い、３軸回りの角速度をそ
れぞれの素子で分担して検出することとした。すなわ
ち、本発明の三次元角速度センサは、Ｘ軸、Ｙ軸および
Ｚ軸のうちの例えばＺ軸回りの角速度を検出する第１の
素子と、残りのＸ軸およびＹ軸の軸回りの角速度をそれ
ぞれ検出する第２の素子とを備えている。以下、添付図
面に示す実施形態に基づいて説明する。
ないように、２つの素子を用い、３軸回りの角速度をそ
れぞれの素子で分担して検出することとした。すなわ
ち、本発明の三次元角速度センサは、Ｘ軸、Ｙ軸および
Ｚ軸のうちの例えばＺ軸回りの角速度を検出する第１の
素子と、残りのＸ軸およびＹ軸の軸回りの角速度をそれ
ぞれ検出する第２の素子とを備えている。以下、添付図
面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００４２】図３は、本発明の三次元角速度センサの実
施形態を示す概念図、図４は、図３に示す三次元角速度
センサにおける第１の素子の構成例を示す平面図、図５
は、図３に示す三次元角速度センサにおける第２の素子
の構成例を示す平面図である。
施形態を示す概念図、図４は、図３に示す三次元角速度
センサにおける第１の素子の構成例を示す平面図、図５
は、図３に示す三次元角速度センサにおける第２の素子
の構成例を示す平面図である。
【００４３】これらの図に示すように、本発明の三次元
角速度センサ１は、基板（基体）２上に、第１の素子３
と第２の素子５とが設置された構成をなしている。各素
子３、５の構成および作用について、順次説明する。
角速度センサ１は、基板（基体）２上に、第１の素子３
と第２の素子５とが設置された構成をなしている。各素
子３、５の構成および作用について、順次説明する。
【００４４】図４に示すように、第１の素子３は、平面
視で四角形をなす質量部（振動子）３１と、その４つの
角部に設けられた脚部（支持部材）３２とを備えてい
る。この第１の素子３は、例えばシリコンで構成されて
いる。
視で四角形をなす質量部（振動子）３１と、その４つの
角部に設けられた脚部（支持部材）３２とを備えてい
る。この第１の素子３は、例えばシリコンで構成されて
いる。
【００４５】各脚部３２は、Ｌ字状に屈曲し、その端部
は、それぞれ、基板２上に設けられた４つの固定部３３
に固定的に設置されている。各脚部３２は、弾性変形可
能であり、これにより、基板２に対し質量部３１をＸ軸
方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の三次元方向に変位可能
に支持している。
は、それぞれ、基板２上に設けられた４つの固定部３３
に固定的に設置されている。各脚部３２は、弾性変形可
能であり、これにより、基板２に対し質量部３１をＸ軸
方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の三次元方向に変位可能
に支持している。
【００４６】質量部３１のＸ軸方向の両側部には、質量
部３１をＸ方向に振動させる櫛形の駆動電極４１と、質
量部３１のＹ軸方向の変位を静電容量の変化として検出
する櫛形のＹ軸方向検出電極（Ｚ軸回りの角速度センサ
およびＹ軸方向加速度センサ）４２とが設置されてい
る。各駆動電極４１には、質量部３１の縁部に形成され
た櫛形電極３４が非接触で対向している。各Ｙ軸方向検
出電極４２には、質量部３１の縁部に形成された櫛形電
極３５が非接触で対向している。
部３１をＸ方向に振動させる櫛形の駆動電極４１と、質
量部３１のＹ軸方向の変位を静電容量の変化として検出
する櫛形のＹ軸方向検出電極（Ｚ軸回りの角速度センサ
およびＹ軸方向加速度センサ）４２とが設置されてい
る。各駆動電極４１には、質量部３１の縁部に形成され
た櫛形電極３４が非接触で対向している。各Ｙ軸方向検
出電極４２には、質量部３１の縁部に形成された櫛形電
極３５が非接触で対向している。
【００４７】また、質量部３１のＹ軸方向の両側部に
は、質量部３１のＸ軸方向の変位を静電容量の変化とし
て検出する櫛形のＸ軸方向検出電極（Ｘ軸方向加速度セ
ンサ）４３が設置されている。各Ｘ軸方向検出電極４３
には、質量部３１の縁部に形成された櫛形電極３６が非
接触で対向している。
は、質量部３１のＸ軸方向の変位を静電容量の変化とし
て検出する櫛形のＸ軸方向検出電極（Ｘ軸方向加速度セ
ンサ）４３が設置されている。各Ｘ軸方向検出電極４３
には、質量部３１の縁部に形成された櫛形電極３６が非
接触で対向している。
【００４８】また、質量部３１の下部には、質量部３１
のＺ軸方向の変位を静電容量の変化として検出するＺ軸
方向検出電極（Ｚ軸方向加速度センサ）４４が設置され
ている。
のＺ軸方向の変位を静電容量の変化として検出するＺ軸
方向検出電極（Ｚ軸方向加速度センサ）４４が設置され
ている。
【００４９】各駆動電極４１、各Ｙ軸方向検出電極４
２、各Ｘ軸方向検出電極４３およびＺ軸方向検出電極４
４は、基板２に対し固定的に設置されている。
２、各Ｘ軸方向検出電極４３およびＺ軸方向検出電極４
４は、基板２に対し固定的に設置されている。
【００５０】質量部３１は、各駆動電極４１に交流電圧
を印加することにより発生する静電引力によりＸ軸方向
に加振される。この場合、コリオリ力の検出感度を高め
るために、Ｘ軸方向の振動の周波数は、同方向における
質量部３１の共振周波数にほぼ等しい周波数とされる。
を印加することにより発生する静電引力によりＸ軸方向
に加振される。この場合、コリオリ力の検出感度を高め
るために、Ｘ軸方向の振動の周波数は、同方向における
質量部３１の共振周波数にほぼ等しい周波数とされる。
【００５１】この状態で、質量部３１にＺ軸回りの角速
度が作用すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が発生し、質量
部３１はＹ軸方向に振動することとなる。
度が作用すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が発生し、質量
部３１はＹ軸方向に振動することとなる。
【００５２】この振動は、Ｙ軸方向検出電極４２により
静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部３
１の櫛形電極３５とＹ軸方向検出電極４２との間隔が変
化することにより、静電容量が変化する。
静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部３
１の櫛形電極３５とＹ軸方向検出電極４２との間隔が変
化することにより、静電容量が変化する。
【００５３】コリオリ力により生じたＹ軸方向の振動
は、駆動電極４１によるＸ軸方向の振動に対し、同一の
周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、
Ｚ軸回りの角速度の大きさは、Ｙ軸方向の振動の振幅に
対応する。これにより、Ｚ軸回りの角速度を検出するこ
とができる。
は、駆動電極４１によるＸ軸方向の振動に対し、同一の
周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、
Ｚ軸回りの角速度の大きさは、Ｙ軸方向の振動の振幅に
対応する。これにより、Ｚ軸回りの角速度を検出するこ
とができる。
【００５４】また、Ｙ軸方向検出電極４２は、質量部３
１がＹ軸方向の加速度を受けてＹ軸方向検出電極４２に
対してＹ軸方向に相対的に変位した場合に、その変位を
静電容量の変化として検出する。従って、Ｙ軸方向検出
電極４２は、Ｚ軸回りの角速度を検出するとともに、Ｙ
軸方向の加速度を検出する加速度センサとしても機能す
る。
１がＹ軸方向の加速度を受けてＹ軸方向検出電極４２に
対してＹ軸方向に相対的に変位した場合に、その変位を
静電容量の変化として検出する。従って、Ｙ軸方向検出
電極４２は、Ｚ軸回りの角速度を検出するとともに、Ｙ
軸方向の加速度を検出する加速度センサとしても機能す
る。
【００５５】Ｘ軸方向検出電極４３は、質量部３１がＸ
軸方向の加速度を受けてＸ軸方向検出電極４３に対して
Ｘ軸方向に相対的に変位した場合に、その変位を静電容
量の変化として検出する。従って、Ｘ軸方向検出電極４
３は、Ｘ軸方向の加速度を検出する加速度センサとして
機能する。
軸方向の加速度を受けてＸ軸方向検出電極４３に対して
Ｘ軸方向に相対的に変位した場合に、その変位を静電容
量の変化として検出する。従って、Ｘ軸方向検出電極４
３は、Ｘ軸方向の加速度を検出する加速度センサとして
機能する。
【００５６】Ｚ軸方向検出電極４４は、質量部３１がＺ
軸方向の加速度を受けてＺ軸方向検出電極４４に対して
Ｚ軸方向に相対的に変位した場合に、その変位を静電容
量の変化として検出する。従って、Ｚ軸方向検出電極４
４は、Ｚ軸方向の加速度を検出する加速度センサとして
機能する。
軸方向の加速度を受けてＺ軸方向検出電極４４に対して
Ｚ軸方向に相対的に変位した場合に、その変位を静電容
量の変化として検出する。従って、Ｚ軸方向検出電極４
４は、Ｚ軸方向の加速度を検出する加速度センサとして
機能する。
【００５７】なお、質量部３１には、Ｙ軸回りの角速度
によりＺ軸方向にコリオリ力が発生し、Ｚ軸方向に振動
することとなるが、コリオリ力による振動の周波数と加
速度による変位の周波数は大きく離れているため、信号
を簡易なフィルタ回路で分離することができる。よっ
て、この振動は、Ｚ軸方向検出電極４４でＺ軸方向の加
速度を検出するのに支障はない。
によりＺ軸方向にコリオリ力が発生し、Ｚ軸方向に振動
することとなるが、コリオリ力による振動の周波数と加
速度による変位の周波数は大きく離れているため、信号
を簡易なフィルタ回路で分離することができる。よっ
て、この振動は、Ｚ軸方向検出電極４４でＺ軸方向の加
速度を検出するのに支障はない。
【００５８】一方、図５に示すように、第２の素子５
は、平面視で四角形をなす質量部（振動子）５１と、そ
の４つの角部に設けられた脚部（支持部材）２２とを備
えている。この第２の素子５は、例えばシリコンで構成
されている。
は、平面視で四角形をなす質量部（振動子）５１と、そ
の４つの角部に設けられた脚部（支持部材）２２とを備
えている。この第２の素子５は、例えばシリコンで構成
されている。
【００５９】各脚部５２は、Ｌ字状に屈曲し、その端部
は、それぞれ、基板２上に設けられた４つの固定部５３
に固定的に設置されている。各脚部５２は、弾性変形可
能であり、これにより、基板２に対し質量部５１をＸ軸
方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の三次元方向に変位可能
に支持している。
は、それぞれ、基板２上に設けられた４つの固定部５３
に固定的に設置されている。各脚部５２は、弾性変形可
能であり、これにより、基板２に対し質量部５１をＸ軸
方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の三次元方向に変位可能
に支持している。
【００６０】質量部５１のＸ軸方向の両側部には、質量
部５１のＹ軸方向の変位を静電容量の変化として検出す
る櫛形のＹ軸方向検出電極６１が設置されている。各Ｙ
軸方向検出電極６１には、質量部５１の縁部に形成され
た櫛形電極５４が非接触で対向している。
部５１のＹ軸方向の変位を静電容量の変化として検出す
る櫛形のＹ軸方向検出電極６１が設置されている。各Ｙ
軸方向検出電極６１には、質量部５１の縁部に形成され
た櫛形電極５４が非接触で対向している。
【００６１】また、質量部５１のＹ軸方向の両側部に
は、質量部５１のＸ軸方向の変位を静電容量の変化とし
て検出する櫛形のＸ軸方向検出電極６２が設置されてい
る。各Ｘ軸方向検出電極６２には、質量部５１の縁部に
形成された櫛形電極５５が非接触で対向している。
は、質量部５１のＸ軸方向の変位を静電容量の変化とし
て検出する櫛形のＸ軸方向検出電極６２が設置されてい
る。各Ｘ軸方向検出電極６２には、質量部５１の縁部に
形成された櫛形電極５５が非接触で対向している。
【００６２】また、質量部５１の下部には、質量部５１
をＺ軸方向に振動させる駆動電極６３が設置されてい
る。
をＺ軸方向に振動させる駆動電極６３が設置されてい
る。
【００６３】駆動電極６３、各Ｙ軸方向検出電極６１お
よび各Ｘ軸方向検出電極６２は、基板２に対し固定的に
設置されている。
よび各Ｘ軸方向検出電極６２は、基板２に対し固定的に
設置されている。
【００６４】質量部５１は、駆動電極６３に交流電圧を
印加することにより発生する静電引力によりＺ軸方向に
加振される。この場合、コリオリ力の検出感度を高める
ために、Ｚ軸方向の振動の周波数は、同方向における質
量部５１の共振周波数にほぼ等しい周波数とされる。
印加することにより発生する静電引力によりＺ軸方向に
加振される。この場合、コリオリ力の検出感度を高める
ために、Ｚ軸方向の振動の周波数は、同方向における質
量部５１の共振周波数にほぼ等しい周波数とされる。
【００６５】この状態で、質量部５１にＸ軸回りの角速
度が作用すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が発生し、質量
部５１はＹ軸方向に振動することとなる。
度が作用すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が発生し、質量
部５１はＹ軸方向に振動することとなる。
【００６６】この振動は、Ｙ軸方向検出電極６１により
静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部５
１の櫛形電極５４とＹ軸方向検出電極６１との間隔が変
化することにより、静電容量が変化する。
静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部５
１の櫛形電極５４とＹ軸方向検出電極６１との間隔が変
化することにより、静電容量が変化する。
【００６７】コリオリ力により生じたＹ軸方向の振動
は、駆動電極６３によるＺ軸方向の振動に対し、同一の
周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、
Ｘ軸回りの角速度の大きさは、Ｙ軸方向の振動の振幅に
対応する。これにより、Ｘ軸回りの角速度を検出するこ
とができる。
は、駆動電極６３によるＺ軸方向の振動に対し、同一の
周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、
Ｘ軸回りの角速度の大きさは、Ｙ軸方向の振動の振幅に
対応する。これにより、Ｘ軸回りの角速度を検出するこ
とができる。
【００６８】また、同様に、質量部５１がＺ軸方向に加
振された状態で、質量部５１にＹ軸回りの角速度が作用
すると、Ｘ軸方向にコリオリ力が発生し、質量部５１は
Ｘ軸方向に振動することとなる。
振された状態で、質量部５１にＹ軸回りの角速度が作用
すると、Ｘ軸方向にコリオリ力が発生し、質量部５１は
Ｘ軸方向に振動することとなる。
【００６９】この振動は、Ｘ軸方向検出電極６２により
静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部５
１の櫛形電極５５とＸ軸方向検出電極６２との間隔が変
化することにより、静電容量が変化する。
静電容量の変化として検出される。すなわち、質量部５
１の櫛形電極５５とＸ軸方向検出電極６２との間隔が変
化することにより、静電容量が変化する。
【００７０】コリオリ力により生じたＸ軸方向の振動
は、駆動電極６３によるＺ軸方向の振動に対し、同一の
周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、
Ｙ軸回りの角速度の大きさは、Ｘ軸方向の振動の振幅に
対応する。これにより、Ｙ軸回りの角速度を検出するこ
とができる。
は、駆動電極６３によるＺ軸方向の振動に対し、同一の
周波数でかつ位相が９０°進んだものとなる。そして、
Ｙ軸回りの角速度の大きさは、Ｘ軸方向の振動の振幅に
対応する。これにより、Ｙ軸回りの角速度を検出するこ
とができる。
【００７１】以上述べたように、三次元角速度センサ１
では、第１の素子３によりＺ軸回りの角速度と、３軸方
向の加速度とを検出し、第２の素子５によりＸ軸回りの
角速度と、Ｙ軸回りの角速度とを検出する。
では、第１の素子３によりＺ軸回りの角速度と、３軸方
向の加速度とを検出し、第２の素子５によりＸ軸回りの
角速度と、Ｙ軸回りの角速度とを検出する。
【００７２】このような構成にすることにより、いずれ
の軸方向に関しても、コリオリ力同士や、加振した振動
とコリオリ力とが重畳することはない。
の軸方向に関しても、コリオリ力同士や、加振した振動
とコリオリ力とが重畳することはない。
【００７３】従って、重畳した出力を分離、抽出するた
めのフィルタ等の回路を設置することなく、Ｘ軸、Ｙ軸
およびＺ軸回りの角速度や、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向
の加速度を高精度で検出することができる。そして、前
記フィルタ等の回路を設置する必要がないため、構造が
簡易であり、小型化に寄与する。
めのフィルタ等の回路を設置することなく、Ｘ軸、Ｙ軸
およびＺ軸回りの角速度や、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向
の加速度を高精度で検出することができる。そして、前
記フィルタ等の回路を設置する必要がないため、構造が
簡易であり、小型化に寄与する。
【００７４】以上、本発明の三次元角速度センサを図示
の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに
限定されるものではない。
の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに
限定されるものではない。
【００７５】特に、３軸回りの角速度の検出に関して
は、複数の軸回りのコリオリ力が同じ軸方向で重畳しな
いようにする限りにおいて、第１の素子３および第２の
素子５の各々への加振方向、コリオリ力による振動の検
出方向等は、任意の方向が可能である。
は、複数の軸回りのコリオリ力が同じ軸方向で重畳しな
いようにする限りにおいて、第１の素子３および第２の
素子５の各々への加振方向、コリオリ力による振動の検
出方向等は、任意の方向が可能である。
【００７６】また、図示の構成では、３軸方向の加速度
の検出を第１の素子３のみで行っているが、第２の素子
５のみで行ってもよく、あるいは、２軸方向の加速度を
一方の素子で検出し、残りの１軸方向の加速度を他方の
素子で検出するような構成としてもよい。
の検出を第１の素子３のみで行っているが、第２の素子
５のみで行ってもよく、あるいは、２軸方向の加速度を
一方の素子で検出し、残りの１軸方向の加速度を他方の
素子で検出するような構成としてもよい。
【００７７】また、加速度の検出に関しては、１軸方向
または２軸方向のみ検出することができるものであって
もよい。２軸方向の加速度を検出する場合、それを一方
の素子のみで行っても、両方の素子で１軸方向ずつ検出
してもよい。また、本発明では、加速度センサを全く持
たないものでもよい。
または２軸方向のみ検出することができるものであって
もよい。２軸方向の加速度を検出する場合、それを一方
の素子のみで行っても、両方の素子で１軸方向ずつ検出
してもよい。また、本発明では、加速度センサを全く持
たないものでもよい。
【００７８】質量部３１、５１を加振する方法は、前記
実施形態で挙げた静電引力に基づくものの他、例えば、
圧電効果、電磁力等を用いたものでもよい。
実施形態で挙げた静電引力に基づくものの他、例えば、
圧電効果、電磁力等を用いたものでもよい。
【００７９】質量部３１、５１の各方向の変位の検出
は、前記実施形態で挙げた静電容量の変化に基づくもの
の他、例えば、ピエゾ抵抗効果、圧電効果等を用いたも
のでもよい。
は、前記実施形態で挙げた静電容量の変化に基づくもの
の他、例えば、ピエゾ抵抗効果、圧電効果等を用いたも
のでもよい。
【００８０】以上のような本発明の三次元角速度センサ
の構成は、いわゆるバルクマイクロマシーン技術で製作
したセンサや、表面マイクロマシーン技術で製作したセ
ンサへの応用が可能である。
の構成は、いわゆるバルクマイクロマシーン技術で製作
したセンサや、表面マイクロマシーン技術で製作したセ
ンサへの応用が可能である。
【００８１】また、マイクロマシーン技術を用いていな
いセンサであっても、少なくとも１軸方向の加速度と３
軸回りの角速度を同時に検出し得るセンサであって、角
速度によるコリオリ力がある１つの軸に重畳しないよう
なセンサに、本発明を応用することができる。
いセンサであっても、少なくとも１軸方向の加速度と３
軸回りの角速度を同時に検出し得るセンサであって、角
速度によるコリオリ力がある１つの軸に重畳しないよう
なセンサに、本発明を応用することができる。
【００８２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、２
つの素子で３軸回りの角速度を検出することができ、構
成が簡易で小型の三次元角速度センサを提供することが
できる。
つの素子で３軸回りの角速度を検出することができ、構
成が簡易で小型の三次元角速度センサを提供することが
できる。
【００８３】また、出力信号が重畳されることがないの
で、検出精度が高く、重畳された信号を分離したり、特
定の信号を抽出したりするためのフィルタ等の回路も必
要なく、装置の小型化やコストダウンに寄与する。
で、検出精度が高く、重畳された信号を分離したり、特
定の信号を抽出したりするためのフィルタ等の回路も必
要なく、装置の小型化やコストダウンに寄与する。
【００８４】また、構成を複雑化することなく、１〜３
次元方向の加速度も併せて検出し得るようにすることも
できる。従って、３軸回りの角速度と３軸方向の加速度
とを検出できるセンサを２個の素子で実現することがで
きる。
次元方向の加速度も併せて検出し得るようにすることも
できる。従って、３軸回りの角速度と３軸方向の加速度
とを検出できるセンサを２個の素子で実現することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加速度検出の原理を示す斜視図である。
【図２】角速度検出の原理を示す概念図である。
【図３】本発明の三次元角速度センサの実施形態を示す
概念図である。
概念図である。
【図４】図３に示す三次元角速度センサにおける第１の
素子の構成例を示す平面図である。
素子の構成例を示す平面図である。
【図５】図３に示す三次元角速度センサにおける第２の
素子の構成例を示す平面図である。
素子の構成例を示す平面図である。
１ 三次元角速度センサ ２ 基板 ３ 第１の素子 ３１ 質量部 ３２ 脚部 ３３ 固定部 ３４ 櫛形電極 ３５ 櫛形電極 ３６ 櫛形電極 ４１ 駆動電極 ４２ Ｙ軸方向検出電極 ４３ Ｘ軸方向検出電極 ４４ Ｚ軸方向検出電極 ５ 第１の素子 ５１ 質量部 ５２ 脚部 ５３ 固定部 ５４ 櫛形電極 ５５ 櫛形電極 ６１ Ｙ軸方向検出電極 ６２ Ｘ軸方向検出電極 ６３ 駆動電極 １０ 基板 １１ 重り １２ 梁 １３、１４ 電極
Claims (6)
- 【請求項１】 コリオリ力を利用して互いに直交するＸ
軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度を検出
する三次元角速度センサであって、 前記Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸のうちのいずれか１つの軸の
軸回りの角速度を検出する第１の素子と、 前記Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸のうちの残りの２つの軸の軸
回りの角速度をそれぞれ検出する第２の素子とを備える
ことを特徴とする三次元角速度センサ。 - 【請求項２】 コリオリ力を利用して互いに直交するＸ
軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの軸回りの角速度を検出
する三次元角速度センサであって、 質量部に前記Ｘ軸または前記Ｙ軸方向の振動を与えて、
Ｚ軸の軸回りの角速度を検出する第１の素子と、 質量部に前記Ｚ軸方向の振動を与えて、前記Ｘ軸および
前記Ｙ軸の軸回りの角速度をそれぞれ検出する第２の素
子とを備えることを特徴とする三次元角速度センサ。 - 【請求項３】 前記第１の素子および前記第２の素子に
おける質量部の前記Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸方向の振動の
周波数は、当該軸方向における質量部の共振周波数にほ
ぼ等しい請求項２に記載の三次元角速度センサ。 - 【請求項４】 前記第１の素子と前記第２の素子とが、
同一基体上に設置されている請求項１ないし３のいずれ
かに記載の三次元角速度センサ。 - 【請求項５】 前記第１の素子が、前記Ｘ軸、Ｙ軸およ
びＺ軸のうちの少なくとも１つの軸方向の加速度を検出
する機能を有する請求項１ないし４のいずれかに記載の
三次元角速度センサ。 - 【請求項６】 前記第２の素子が、前記Ｘ軸、Ｙ軸およ
びＺ軸のうちの少なくとも１つの軸方向の加速度を検出
する機能を有する請求項１ないし５のいずれかに記載の
三次元角速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11280198A JP3873266B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | 三次元角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11280198A JP3873266B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | 三次元角速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11295075A true JPH11295075A (ja) | 1999-10-29 |
| JP3873266B2 JP3873266B2 (ja) | 2007-01-24 |
Family
ID=14595874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11280198A Expired - Fee Related JP3873266B2 (ja) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | 三次元角速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3873266B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009198206A (ja) * | 2008-02-19 | 2009-09-03 | Canon Inc | 角速度センサ |
| JP2010501831A (ja) * | 2006-08-18 | 2010-01-21 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | 音叉ジャイロスコープ装置を有する２軸ヨーレート検知ユニット |
-
1998
- 1998-04-08 JP JP11280198A patent/JP3873266B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010501831A (ja) * | 2006-08-18 | 2010-01-21 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | 音叉ジャイロスコープ装置を有する２軸ヨーレート検知ユニット |
| JP2009198206A (ja) * | 2008-02-19 | 2009-09-03 | Canon Inc | 角速度センサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3873266B2 (ja) | 2007-01-24 |
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