JPWO2014155997A1

JPWO2014155997A1 - 角速度センサ

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Publication number: JPWO2014155997A1
Application number: JP2015508013A
Authority: JP
Inventors: 加藤　静一; 静一加藤
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: WO2014155997A1; US20160003616A1; JP6067102B2

Abstract

駆動信号を生成する駆動回路と、振動錘と、駆動信号に応じて、振動錘を第１の軸と第２の軸とに振動させる振動部と、角速度と振動錘の振動とに応じて発生するコリオリ力に基づいた信号を出力する出力部と、コリオリ力に基づいた信号から角速度を検出する検出回路と、振動錘の運動エネルギーを電気的に消費する第１の振動減衰部と、を備える角速度センサを提供する。

Description

本発明は、振動錘の振動を減衰させる角速度センサに関する。

角速度センサは、振動子の振動方向を切り替えることにより、異なる回転軸の角速度を測定することができる。そして、角速度センサでは、振動子の振動方向を切り替える場合、切り替え前の振動方向における振動が終わるまでの立ち下げ区間と、切り替え後の振動方向における振動が安定するまでの立ち上げ区間では、角速度を精度よく測定することができない。このため、立ち上げ区間と立ち下げ区間を短くすることが、角速度の測定を短時間で終わらせるのに要求される。従来の角速度センサは、パルス駆動等により、振動子の立ち上げ区間を短くすることで、測定時間を短縮している（例えば特許文献１参照）。
［特許文献１］特開平９−３３２６２号公報

しかし、振動子の立ち上げ区間を短くする方法では、振動方向の切り替え時間を短縮できる時間が、最大でも振動子の立ち上げ区間に限られてしまう。また、立ち下げ区間を短縮するために、振動の立ち下げ時に、当該振動とは逆方向に振動子を動かすような信号を生成する回路等を新たに設けると、電流が無駄に消費されてしまう。

本発明の第１の態様においては、駆動信号を生成する駆動回路と、振動錘と、駆動信号に応じて、振動錘を第１の軸と第２の軸とに振動させる振動部と、角速度と振動錘の振動とに応じて発生するコリオリ力に基づいた信号を出力する出力部と、コリオリ力に基づいた信号から角速度を検出する検出回路と、振動錘の運動エネルギーを電気的に消費する第１の振動減衰部と、を備える角速度センサを提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

センサパッケージ３００の概要を示す図である。振動錘３４２の振動方向の切り替え動作を示す図である。本発明の実施形態に係る角速度センサ１００の構成例を示す図である。本発明の実施形態に係る角速度センサ１００の構成例を示す図である。本発明の実施形態に係る角速度センサ１００の構成例を示す図である。圧電素子の等価回路を示す回路図である。減衰用抵抗１６１が設けられた圧電素子の等価回路を示す回路図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、センサパッケージ３００の概要を示す図である。センサパッケージ３００は、パッケージ基板３１０、ケース３２０、ＡＳＩＣ３３０およびＭＥＭＳ３４０を備える。本明細書では、ＡＳＩＣ３３０およびＭＥＭＳ３４０を合わせて角速度センサ１００と呼ぶ。

角速度センサ１００は、ＭＥＭＳ３４０の振動と角速度に応じて発生するコリオリ力に基づいて、角速度を検出する。コリオリ力とは、角速度を持つセンサパッケージ３００において、ＭＥＭＳ３４０を振動させた場合に振動方向と垂直に発生する慣性力のことである。

パッケージ基板３１０の上面には、ＡＳＩＣ３３０およびＭＥＭＳ３４０が順に積層される。ケース３２０は、ＡＳＩＣ３３０およびＭＥＭＳ３４０を完全に覆うようにパッケージ基板３１０上に配置される。

ＡＳＩＣ３３０は、ＭＥＭＳ３４０を振動させる駆動信号を出力する。また、ＡＳＩＣ３３０は、駆動信号によるＭＥＭＳ３４０の振動方向とは垂直な方向に発生するコリオリ力を検出して、ＭＥＭＳ３４０の角速度を測定する。ＡＳＩＣ３３０は、駆動信号によるＭＥＭＳ３４０の振動方向とは垂直な方向においてＭＥＭＳ３４０に生じるコリオリ力に応じた出力を信号処理する。

ＭＥＭＳ３４０は、平面基板３４１、振動錘３４２、筐体３４３、下部電極３４４、圧電体３４５、駆動電極３４６および検出電極３４７を備える。ＭＥＭＳ３４０の振動錘３４２は、ＡＳＩＣ３３０からの駆動信号に応じて振動する。このとき、振動錘３４２には、角速度および振動錘３４２の振動方向に応じたコリオリ力が発生する。検出電極３４７は、発生したコリオリ力に対応した信号を出力する。

ＭＥＭＳ３４０は、例えばＳｉ−ＳｉＯ_２−Ｓｉといった３層構造を持つＳＯＩ基板に半導体製造プロセスを施すことにより製造される。第１のＳｉ層で形成される平面基板３４１は、外周が固定され、駆動信号に応じて振動する。

振動錘３４２は、ＳＯＩ基板における第２のＳｉ層を深堀エッチングすることにより、平面基板３４１に対し垂直な方向に延びて形成される。本例の振動錘３４２は、平面基板３４１の下面中央から、ＡＳＩＣ３３０の上面に向かって延びて形成される。振動錘３４２は、例えば円柱、楕円柱等の形状を有する。振動錘３４２は、駆動信号に応じて、平面基板３４１と一体となって振動する。

筐体３４３は、ＳＯＩ基板における第２のＳｉ層を深堀エッチングすることにより、平面基板３４１の外周に、平面基板３４１と一体に形成される。また、筐体３４３は、振動錘３４２の形成と同時に形成される。なお、筐体３４３は、平面基板３４１とは別個に形成され、接着等により平面基板３４１と固定されてもよい。筐体３４３は、振動錘３４２が振動した場合に、平面基板３４１の外周を支える。筐体３４３は、振動錘３４２の振動に応じて変位しないことが好ましい。これにより、振動錘３４２は、安定して予め定められた回転軸方向に振動できる。

平面基板３４１の上面には、下部電極３４４および圧電体３４５が積層して形成される。下部電極３４４および圧電体３４５は、平面基板３４１のうち、筐体３４３に固定されていない領域を覆うように形成される。また、圧電体３４５の上面には、駆動電極３４６および検出電極３４７がそれぞれ設けられる。

下部電極３４４は、電圧が一定となるように電圧が印加される。例えば下部電極３４４は接地される。また、駆動電極３４６は、振動錘３４２を振動させる方向に応じた電圧が印加される。これにより、圧電体３４５は、駆動電極３４６に入力された駆動信号の電圧と下部電極３４４の電圧の差に応じて曲げられる。

駆動電極３４６は、圧電体３４５の上面で、かつ、振動錘３４２の外周に対応する位置の近辺に配置される。振動錘３４２の外周は、振動の固定端である筐体３４３の内周からの距離が最大となるので、振動錘３４２の外周付近の圧電体３４５には大きなモーメントが発生する。したがって、駆動電極３４６は、筐体３４３に近接して設けられる場合よりも、振動錘３４２を効率的に振動させることができる。

検出電極３４７は、圧電体３４５の上面で、かつ、筐体３４３の内周に対応する位置の近辺に配置される。圧電体３４５は、筐体３４３に近いほど振動時に加えられる応力が大きくなるので、筐体３４３の内周付近の圧電体３４５には、大きな電流が発生する。したがって、検出電極３４７は、振動錘３４２に近い位置に設けられよりも、筐体３４３に近い位置に設けられた方が、より大きな信号を検出できる。

検出電極３４７が検出する信号は、振動錘３４２の振動方向およびＭＥＭＳ３４０の角速度に応じて発生するコリオリ力に基づく信号である。ＡＳＩＣ３３０は、コリオリ力に基づく出力を信号処理して、角速度を検出する。

本実施形態に係るセンサパッケージ３００は、振動錘３４２の振動方向を切り替えることにより、複数の回転軸の角速度を検出できる。具体的には、センサパッケージ３００は、振動錘３４２を間欠に振動させて、第１の軸から第２の軸に振動方向を切り替える。センサパッケージ３００は、切り替え動作の繰返しによって、任意の時間における各回転軸の角速度を測定する。

図２は、振動錘３４２の振動方向の切り替え動作を示す図である。振動錘３４２の振動方向は、第１の軸および第２の軸に間欠的に切り替わる。第１の軸または第２の軸は、平面基板３４１に対し垂直な方向である。また、第１の軸と第２の軸は直交する。平面基板３４１と平行な面内において直交する２つの回転軸をｘ軸、ｙ軸とし、平面基板３４１と垂直な回転軸をｚ軸とすると、本実施形態において、第１の軸はｘ軸もしくはｙ軸であり、第２の軸はｚ軸である。

例えば、角速度センサ１００は、ｘ軸方向に振動錘３４２を振動させる場合、ｚ軸方向およびｙ軸方向の角速度を検出する。本明細書では、ｚ軸方向の角速度とは、ｚ軸を中心として回転する角速度のことを指す。ｘ軸方向およびｙ軸方向の角速度に関しても同様に定義する。図２において、Ｘ／Ｙは、ｚ軸方向に振動錘３４２を振動させてｘ軸およびｙ軸方向のコリオリ力を検出することを示し、Ｚは、ｘ軸もしくはｙ軸方向に振動錘３４２を振動させてｚ軸方向のコリオリ力を検出することを示す。

振動錘３４２の変位は、立ち上げ区間、一定区間、立ち下げ区間および間欠区間に分けられる。立ち上げ区間は、ＡＳＩＣ３３０からの駆動信号がＭＥＭＳ３４０に入力されて振動錘３４２が振動を開始してから、振幅が一定になるまでの区間を指す。一定区間は、ＡＳＩＣ３３０からの駆動信号がＭＥＭＳ３４０に入力されて、振動錘３４２が一定の振幅で振動する区間を指す。立ち下げ区間は、ＡＳＩＣ３３０からＭＥＭＳ３４０への駆動信号の入力が終了してから、振動錘３４２の振動がなくなるまでの区間を指す。

間欠区間は、振動錘３４２の振動がない状態の区間である。つまり、間欠区間は、立ち下げ区間が終わってから、次の立ち上げ区間が始まるまでの区間を指す。間欠区間を設けることにより、第１の軸および第２の軸の振動を分離できるので、互いの振動に干渉されない。よって、角速度センサ１００は、角速度を高精度に測定できる。

振動錘３４２の振動の制御状態は、駆動状態および休止状態に分けられる。駆動状態とは、振動錘３４２が駆動信号により駆動される状態であり、立ち上げ区間および一定区間を指す。また、駆動状態とは、後述する第１の振動部１１１および第２の振動部１１２の少なくとも一方に、駆動回路１３０から駆動信号が入力されている状態である。休止状態とは、振動錘３４２が駆動信号により駆動されていない状態であり、立ち下げ区間および間欠区間を指す。また、休止状態とは、後述する第１の振動部１１１および第２の振動部１１２のいずれにも、駆動回路１３０からの駆動信号が入力されていない状態である。

図３は、本発明の実施形態に係る角速度センサ１００の構成例を示す図である。本例の角速度センサ１００は、ＭＥＭＳ３４０、駆動回路１３０および検出回路１４０で構成される。駆動回路１３０および検出回路１４０は、ＡＳＩＣ３３０に設けられる。角速度センサ１００は、振動錘３４２の振動と角速度に応じたコリオリ力に基づいて、角速度を検出する。

駆動回路１３０は、ＭＥＭＳ３４０を第１の軸または第２の軸に振動させるための駆動信号を、ＭＥＭＳ３４０に出力する。ここで、第１の軸および第２の軸は、それぞれｘ軸及びｚ軸であってよい。なお、本明細書では、平面基板３４１の面を、ｘｙ平面としている。

図３においては、ＭＥＭＳ３４０の上面を示す。ＭＥＭＳ３４０は、振動錘３４２、第１の振動部１１１、第２の振動部１１２および出力部１２０を備える。第１の振動部１１１および第２の振動部１１２は、図１に示した駆動電極３４６に対応する。また、本明細書においては、第１の振動部１１１および第２の振動部１１２をまとめて単に振動部と称する場合がある。

出力部１２０は、図１に示した検出電極３４７に対応する。第１の振動部１１１は、駆動信号が入力された場合、振動錘３４２を第１の軸に振動させる。第２の振動部１１２は、駆動信号が入力された場合、振動錘３４２を第２の軸に振動させる。

出力部１２０は、振動錘３４２の振動に応じて発生する信号を検出する。出力部１２０は、角速度および振動錘３４２の振動により発生するコリオリ力に基づいた信号を出力する。本例の出力部１２０は、圧電体３４５が当該コリオリ力を変換した電気信号を出力する。出力部１２０は、ｘ軸およびｙ軸上に配置された４つの電極を有するので、３軸方向のコリオリ力を出力できる。

検出回路１４０は、出力部１２０からの出力を信号処理する。検出回路１４０は、出力部１２０からの出力に基づいて、角速度を検出することができる。具体的には、出力部１２０が出力したコリオリ力に基づく信号および駆動回路１３０が出力した駆動信号の関係から角速度を検出する。

駆動回路１３０は、振動方向切り替え部１５０、第１の振動減衰部１６０、第１のスイッチ部１７０および第２のスイッチ部１７１を備える。振動方向切り替え部１５０は、第１のスイッチ部１７０第１のスイッチ部１７０を介して第１の振動部１１１に接続される。また、振動方向切り替え部１５０は、第２のスイッチ部１７１を介して第２の振動部１１２に接続される。

振動方向切り替え部１５０は、第１の振動部１１１および第２の振動部１１２の駆動を切り替える。これにより、振動方向切り替え部１５０は、振動錘３４２の振動方向を第１の軸および第２の軸の一方から他方に切り替える。振動方向切り替え部１５０は、第１のスイッチ部１７０および第２のスイッチ部１７１を制御して、振動錘３４２の振動方向を切り替えてよい。

正転バッファ１８０および反転バッファ１８５は、振動方向切り替え部１５０と第１のスイッチ部１７０との間に並列に接続される。つまり、振動方向切り替え部１５０の出力と同位相および逆位相の信号が、第１のスイッチ部１７０に入力される。

第１のスイッチ部１７０は、第１の振動部１１１の各駆動電極に対して、正転バッファ１８０および反転バッファ１８５を選択して接続する。

-第２のスイッチ部１７１は、第１の振動減衰部１６０および第２の振動部１１２の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。本例の第２のスイッチ部１７１は、第２の振動部１１２の各駆動電極に対して、正転バッファ１８０、反転バッファ１８５および第１の振動減衰部１６０のいずれかを選択して接続するマルチプレクサである。

第１の振動部１１１は、ｙ軸上に沿って配列され、平面基板３４１の中央を挟んで対向する一対の駆動電極を備える。また、第２の振動部１１２は、ｘ軸上に沿って配列され、平面基板３４１の中央を挟んで対向する一対の駆動電極を備える。例えば、ｘ軸方向に振動錘３４２を振動させる場合、第２の振動部１１２の２つの駆動電極には、互いに逆位相となる信号が入力される。このとき、第１の振動部１１１の各駆動電極には信号が入力されない。

また、振動錘３４２をｚ軸方向に振動させる場合、第１の振動部１１１および第２の振動部１１２の各駆動電極には、同一の位相の信号が入力される。例えば、それぞれの駆動電極に正転バッファ１８０が接続される。

第２のスイッチ部１７１は、第２の振動部１１２が駆動状態から休止状態に切り替わるタイミングに同期して、第１の振動減衰部１６０を第２のスイッチ部１７１を介して、第２の振動部１１２に接続する。第１の振動減衰部１６０は、第２の振動部１１２に接続され、振動錘３４２の振動を減衰させる。これにより、第２の振動部１１２の振動の立ち下げ区間が短縮される。

第２のスイッチ部１７１は、第２の振動部１１２が休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、第１の振動減衰部１６０と振動部との導通をＯＮからＯＦＦに切り替える。そして、第２のスイッチ部１７１は、振動部の各駆動電極に、駆動信号を入力させる。これにより、駆動状態のときに、第１の振動減衰部１６０によりエネルギーが消費されることを防ぐ。

具体的には、第１の振動部１１１および第２の振動部１１２は、振動錘３４２の振動方向を切り替える前に、振動錘３４２の運動エネルギーを電気的に消費する。第１の振動減衰部１６０は、運動エネルギーを電気的に消費することで振動を減衰させる。第１の振動減衰部１６０は、減衰用抵抗１６１を含む。つまり、第１の振動減衰部１６０は、特別な回路等を必要としないので、無駄な電力を消費しなくて済む。

振動方向切り替え部１５０は、振動錘３４２の振動方向を切り替える間に、第１の振動部１１１と第２の振動部１１２の駆動を休止させる休止期間を設けて駆動を切り替える。これにより、第１の軸の振動および第２の軸の振動が、相互に影響することを抑制できる。

図４は、本発明の実施形態に係る角速度センサ１００の構成例を示す図である。本実施形態に係る角速度センサ１００は、図３の実施形態と比較して、第１の振動減衰部１６０が、第２のスイッチ部１７１に加えて第１のスイッチ部１７０にも接続される点で異なる。

第１の振動減衰部１６０は、第１のスイッチ部１７０および第２のスイッチ部１７１を介して、第１の振動部１１１および第２の振動部１１２に接続される。第１のスイッチ部１７０は、第１の振動減衰部１６０と第１の振動部１１１の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。第２のスイッチ部１７１は、第１の振動減衰部１６０と第２の振動部１１２の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

一例として、第１のスイッチ部１７０および第２のスイッチ部１７１は、振動部が駆動状態から休止状態に切り替わるタイミングに同期して、第１の振動減衰部１６０と振動部との導通をＯＦＦからＯＮに切り替える。第１の振動減衰部１６０は、振動の一定区間から立ち下げ区間への切り替えと同時に振動を減衰させる。

また、第１のスイッチ部１７０および第２のスイッチ部１７１は、振動部が休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、第１の振動減衰部１６０と振動部との導通をＯＮからＯＦＦに切り替える。そして、振動部の各駆動電極に、駆動信号を入力させる。これにより、駆動状態のときに、第１の振動減衰部１６０によりエネルギーが消費されることを防ぐ。

本実施形態に係る角速度センサ１００は、第１の軸から第２の軸に振動方向を変更する前だけではなく、第２の軸から第１の軸に振動方向を変更する前にも、運動エネルギーを第１の振動減衰部１６０で消費させる。したがって、角速度センサ１００は、第１の軸および第２の軸における振動の両方の立ち下げ区間を短縮できる。

本実施形態に係る第１の振動減衰部１６０は、第１のスイッチ部１７０および第２のスイッチ部１７１のそれぞれに対応する減衰用抵抗１６１を有する。減衰用抵抗１６１は、第１の振動部１１１および第２の振動部１１２に応じて、運動エネルギーを電気的に消費するために、最適な抵抗値が設定される。

図５は、本発明の実施形態に係る角速度センサ１００の構成例を示す図である。本実施形態に係る角速度センサ１００は、図４の実施形態と比較して、第１のスイッチ部１７０および第２のスイッチ部１７１に代えて、第３のスイッチ部１７２を有する点で異なる。図５は、検出回路１４０の具体的な構成例を示す。

第３のスイッチ部１７２は、第１の振動減衰部１６０と第１の振動部１１１および第１の振動減衰部１６０と第２の振動部１１２の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。一例として、第３のスイッチ部１７２は、振動部が駆動状態から休止状態または休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して第１の振動減衰部１６０と第１の振動部１１１の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

具体的には、第３のスイッチ部１７２は、駆動状態から休止状態に切り替わるタイミングに同期して第１の振動減衰部１６０と第１の振動部１１１の導通をＯＮする。また、第３のスイッチ部１７２は、休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して第１の振動減衰部１６０と第１の振動部１１１の導通をＯＦＦする。

第１の振動減衰部１６０は、第１の軸の振動の立ち下げ区間において第１の振動部１１１に接続される。これにより、第１の振動の方向の立ち下げ区間が最も短縮される。

第１の振動減衰部１６０は、第１の軸の振動の休止状態において第１の振動部１１１に接続される。これにより、間欠区間で生じた振動錘３４２の振動が減衰される。

次に、第２の軸の振動について説明する。第３のスイッチ部１７２は、振動部が駆動状態から休止状態または休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、第１の振動減衰部１６０および第２の振動部１１２の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

具体的には、第３のスイッチ部１７２は、駆動状態から休止状態に切り替わるタイミングに同期して第１の振動減衰部１６０と第２の振動部１１２の導通をＯＮする。また、第３のスイッチ部１７２は、休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して第１の振動減衰部１６０と第２の振動部１１２の導通をＯＦＦする。

第１の振動減衰部１６０は、第２の軸の振動の立ち下げ区間において第２の振動部１１２に接続される。これにより、第２の振動の方向の立ち下げ区間が最も短縮される。

第１の振動減衰部１６０は、第２の軸の振動の休止状態において第２の振動部１１２に接続される。これにより、休止状態に生じた振動錘３４２の振動を減衰される区間が最も大きくなる。

本実施形態に係る角速度センサ１００は、第１の軸および第２の軸における振動の両方の立ち下げ区間を短縮できる。また、休止状態において第１の振動減衰部１６０が第１の振動部１１１もしくは第２の振動部１１２に接続されているので、休止状態に発生した振動錘３４２の振動が減衰される。

次に、検出回路１４０側の構成について説明する。検出回路１４０は、第２の振動減衰部１６５および第４のスイッチ部１７３を備える。第４のスイッチ部１７３は、第２の振動減衰部１６５および出力部１２０の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

第４のスイッチ部１７３は、振動部が駆動状態から休止状態または休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期してＯＮ／ＯＦＦを切り替える。第２の振動減衰部１６５は、第４のスイッチ部１７３を介して出力部１２０に接続され、振動錘３４２の運動エネルギーを消費することにより、振動錘３４２の振動を減衰させる。

本例の出力部１２０は、４つの駆動電極の外側に４つの検出電極を有する。第２の振動減衰部１６５は、第４のスイッチ部１７３を介して、出力部１２０における全ての検出電極に接続されてよい。これにより、第１の振動減衰部１６０に加えて、第２の振動減衰部１６５でも振動錘３４２の運動エネルギーを消費できるので、立ち下げ区間が短縮される。

具体的には、第２の振動減衰部１６５は、振動錘３４２の運動エネルギーを電気的に消費することで振動を減衰させる。また、第２の振動減衰部１６５は、減衰用抵抗１６１を含む。つまり、第１の振動減衰部１６０は、特別な回路等を必要としないので、無駄な電力を消費しなくて済む。

本実施形態では、駆動回路１３０および検出回路１４０が減衰用抵抗１６１を備える。しかし、検出回路１４０のみが、減衰用抵抗１６１を備えるとしても、立ち下げ区間を短縮できる。また、図３および図４に示した検出回路１４０も、第１の振動減衰部１６０、もしくは、第２の振動減衰部１６５を有してよい。

図６は、圧電素子の等価回路を示す回路図である。圧電素子は電気・機械変換素子であり、電気的な等価回路として図６に示す回路で表される。２つの端子１９４間に、圧電体容量１９１、インダクタンス１９２および圧電体抵抗１９３が直列に接続さる。電極容量１９０は、圧電体容量１９１、インダクタンス１９２および圧電体抵抗１９３と並列に、接続される。端子１９４は、力学的共振時において自由端である。

電極容量１９０は、駆動電極３４６間の容量である。圧電体容量１９１、インダクタンス１９２および圧電体抵抗１９３は、圧電体３４５の等価回路である。圧電体３４５の等価回路には、力学的共振時に、電流Ｉが流れる。電流Ｉは、振動錘３４２の振動の力学的な速度に比例する。

力学的共振とは、電流Ｉが、
で表される共振周波数ｆｒで流れている状態である。ここで、Ｌ_Ｍは、圧電体３４５のインダクタンス１９２であり、Ｃ_Ｍは、圧電体３４５の圧電体容量１９１を示す。

図６に示す等価回路では、圧電体３４５の等価回路に流れる電流Ｉが流れる場合、抵抗値Ｒ_Ｍの圧電体抵抗１９３のみで運動エネルギーが消費される。しかし、抵抗値Ｒ_Ｍの圧電体抵抗１９３だけでは、電力を消費するために十分ではなく、立ち下げ区間を十分に短縮できない。

図７は、減衰用抵抗１６１が設けられた圧電素子の等価回路を示す回路図である。図６に示された等価回路と比較して、図６の端子１９４間に減衰用抵抗１６１が設けられている点で異なる。

減衰用抵抗１６１は、第１の振動部１１１または第２の振動部１１２に接続された駆動電極３４６の容量と並列に設けられる。本実施形態では、減衰用抵抗１６１でも運動エネルギーが消費されるので、圧電体３４５の速度を効果的に減らすことができる。

電流Ｉは、振動錘３４２の振動の力学的な速度に比例して発生し、駆動電極３４６の電極容量１９０および減衰用抵抗１６１に流れる。電流Ｉは、減衰用抵抗１６１に流れる電流Ｉ_Ｒと、電極容量１９０に流れる電流Ｉ_Ｐに分かれる。つまり、圧電体抵抗１９３に加えて減衰用抵抗１６１においても電力が消費されるので、振動の立ち下げ区間を短縮できる。

減衰用抵抗１６１の抵抗値Ｒは、第１の振動部１１１または第２の振動部１１２の共振周波数における駆動電極３４６の電極容量１９０のインピーダンスの絶対値と等しくてよい。この場合、減衰用抵抗１６１に流れる電流Ｉ_Ｒと、電極容量１９０に流れる電流Ｉ_Ｐが、等しくなり、電流Ｉ_Ｒが最大となる。したがって、運動エネルギーを減衰用抵抗１６１および圧電体抵抗１９３が消費する量が最大となる。

本実施形態において、電極容量１９０を駆動電極３４６間の電極容量として説明した。しかし、電極容量１９０を検出電極３４７の電極容量としてもよい。

駆動回路１３０および検出回路１４０のそれぞれに、減衰用抵抗１６１を設ける場合、第１の振動部１１１、第２の振動部１１２および出力部１２０の各電極面積によって、電極容量１９０が変化する。したがって、電極容量１９０のそれぞれのインピーダンスの絶対値に応じた減衰用抵抗１６１を選択すると、振動を減衰させる効果が高い。それぞれの減衰用抵抗１６１は接続される電極の面積に応じたインピーダンスを有してよい。

本明細書において、角速度センサ１００として、ＭＥＭＳ３４０に圧電体３４５を用いて、振動錘３４２を振動させる圧電素子型のセンサを用いた。しかし、角速度センサ１００は、ＭＥＭＳ３４０が静電容量を用いて振動錘３４２を振動させる静電容量型の角速度センサを用いることもできる。静電容量型の角速度センサを用いても振動錘３４２の運動エネルギーを電流に変換できるので、第１の振動減衰部１６０で振動を減衰できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００・・・角速度センサ、１１１・・・第１の振動部、１１２・・・第２の振動部、１２０・・・出力部、１３０・・・駆動回路、１４０・・・検出回路、１５０・・・振動方向切り替え部、１６０・・・第１の振動減衰部、１６１・・・減衰用抵抗、１６５・・・第２の振動減衰部、１７０・・・第１のスイッチ部、１７１・・・第２のスイッチ部、１７２・・・第３のスイッチ部、１７３・・・第４のスイッチ部、１９０…電極容量、１９１・・・圧電体容量、１９２・・・インダクタンス、１９３・・・圧電体抵抗、１９４・・・端子、３００・・・センサパッケージ、３１０・・・パッケージ基板、３２０・・・ケース、３３０・・・ＡＳＩＣ、３４０・・・ＭＥＭＳ、３４１・・・平面基板、３４２・・・錘、３４３・・・筐体、３４４・・・下部電極、３４５・・・圧電体、３４６・・・駆動電極、３４７・・・検出電極

Claims

駆動信号を生成する駆動回路と、
振動錘と、
前記駆動信号に応じて、前記振動錘を第１の軸と第２の軸とに振動させる振動部と、
角速度と前記振動錘の振動とに応じて発生するコリオリ力に基づいた信号を出力する出力部と、
前記コリオリ力に基づいた信号から前記角速度を検出する検出回路と、
前記振動錘の運動エネルギーを電気的に消費する第１の振動減衰部と、
を備える角速度センサ。
前記振動部の駆動を切り替え、前記振動錘の振動方向を前記第１の軸及び前記第２の軸の一方から他方に切り替える振動方向切り替え部を備える請求項１に記載の角速度センサ。
前記第１の振動減衰部は、
前記振動方向切り替え部が前記振動方向を切り替える前に、前記振動錘の運動エネルギーを電気的に消費する請求項２に記載の角速度センサ。
前記第１の振動減衰部は、抵抗を含み、
前記振動部は、
前記振動方向切り替え部が前記振動方向を切り替える前に、前記抵抗に接続される請求項２または３に記載の角速度センサ。
前記振動方向切り替え部は、
前記振動方向を切り替える前に、前記振動部の駆動を休止させる休止期間を設けている請求項２から４のいずれか一項に記載の角速度センサ。
前記駆動回路は、
前記振動方向切り替え部と前記第１の振動減衰部とを含んで構成され、
前記第１の振動減衰部と前記振動部の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第１のスイッチ部をさらに有する請求項５に記載の角速度センサ。
前記第１のスイッチ部は、
前記振動部が駆動状態から休止状態に切り替わるタイミングに同期して、ＯＦＦからＯＮに切り替わる請求項６に記載の角速度センサ。
前記第１のスイッチ部は、
前記振動部が休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、ＯＮからＯＦＦに切り替わる請求項７に記載の角速度センサ。
前記振動部は、
前記第１の軸に沿って配列された２つの駆動電極を含む第２の振動部と、
前記第１の軸とは垂直な方向に沿って配列された２つの駆動電極を含む第１の振動部と、
を含み、
前記第１の振動減衰部は、前記第１の振動部と前記第２の振動部に接続される請求項５から８のいずれか一項に記載の角速度センサ。
前記駆動回路は、
前記第１の振動減衰部と前記第２の振動部の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第２のスイッチ部をさらに有する請求項９に記載の角速度センサ。
前記第２のスイッチ部は、
前記振動部が駆動状態から休止状態に切り替わるタイミングに同期して、ＯＦＦからＯＮに切り替わる請求項１０に記載の角速度センサ。
前記第２のスイッチ部は、
前記振動部が休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、ＯＮからＯＦＦに切り替わる請求項１１に記載の角速度センサ。
前記振動部は、
前記第１の軸に沿って配列された２つの駆動電極を含む第２の振動部と、
前記第１の軸とは垂直な方向に沿って配列された２つの駆動電極を含む第１の振動部と、
を含み、
前記第１の振動減衰部は、前記第１の振動部と前記第２の振動部に接続され、
前記駆動回路は、
前記第１の振動減衰部と前記第１の振動部の導通のＯＮ／ＯＦＦと、
前記第１の振動減衰部と前記第２の振動部の導通のＯＮ／ＯＦＦと、
を切り替える第３のスイッチ部をさらに有する請求項１から５のいずれか一項に記載の角速度センサ。
前記第３のスイッチ部は、
前記振動部が駆動状態から休止状態または休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、前記第１の振動減衰部と前記第１の振動部の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替え、
前記振動部が駆動状態から休止状態または休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、前記第１の振動減衰部と前記第２の振動部の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える請求項１３に記載の角速度センサ。
前記抵抗は、前記振動部に接続された駆動電極間の容量と並列に設けられた請求項４に記載の角速度センサ。
前記抵抗の抵抗値は、前記振動部の共振周波数における前記駆動電極間の容量のインピーダンスの絶対値と等しい請求項１５に記載の角速度センサ。
前記検出回路は、
前記出力部に接続され、前記運動エネルギーを電気的に消費する第２の振動減衰部をさらに備える請求項１から１６のいずれか一項に記載の角速度センサ。
前記検出回路は、
前記第２の振動減衰部と前記出力部の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第４のスイッチ部をさらに有する請求項１７に記載の角速度センサ。
前記第４のスイッチ部は、
前記振動部が駆動状態から休止状態または休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、ＯＮ／ＯＦＦを切り替える請求項１８に記載の角速度センサ。
前記振動錘は、基板上に形成され、前記基板に対し垂直な方向に延びて形成される請求項１から１９のいずれか一項に記載の角速度センサ。
前記第２の軸は、前記基板に対し垂直な軸である請求項２０に記載の角速度センサ。
前記第１の軸と前記第２の軸は直交する請求項１から２１のいずれか一項に記載の角速度センサ。
前記駆動回路は、
前記振動方向切り替え部を含んで構成され、
前記検出回路は、
前記第１の振動減衰部を含んで構成される請求項２に記載の角速度センサ。
前記第１の振動減衰部は、抵抗を含む請求項２３に記載の角速度センサ。
前記振動方向切り替え部は、
前記振動錘の振動方向を切り替える前に、前記振動部の駆動を休止させる休止期間を設けている請求項２３または２４に記載の角速度センサ。
前記検出回路は、
前記第１の振動減衰部と前記出力部の導通のＯＮ／ＯＦＦを切り替える第５のスイッチ部をさらに有する請求項２５に記載の角速度センサ。
前記第５のスイッチ部は、
前記振動部が駆動状態から休止状態に切り替わるタイミングに同期して、ＯＦＦからＯＮに切り替わる請求項２６に記載の角速度センサ。
前記第５のスイッチ部は、
前記振動部が休止状態から駆動状態に切り替わるタイミングに同期して、ＯＮからＯＦＦに切り替わる請求項２７に記載の角速度センサ。
前記抵抗は、前記出力部に接続された検出電極間の容量と並列に備えられた請求項２４に記載の角速度センサ。
前記抵抗の抵抗値は、前記出力部の共振周波数における前記検出電極間の容量のインピーダンスの絶対値と等しい請求項２９に記載の角速度センサ。
角速度センサの振動錘を第１の軸で振動させ、
前記振動錘の運動エネルギーを電気的に消費し、
前記振動錘を第２の軸で振動させる角速度センサの駆動方法。
前記運動エネルギーを電気的に消費することは、
前記第２の軸で前記振動錘を振動させる前に行う請求項３１に記載の角速度センサの駆動方法。
前記運動エネルギーを電気的に消費することは、
抵抗で行う請求項３１または３２に記載の角速度センサの駆動方法。