JPWO2014155997A1 - 角速度センサ - Google Patents
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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
[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。
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−SiO2−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、LMは、圧電体345のインダクタンス192であり、CM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RM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RM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IRと、電極容量190に流れる電流IP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IRと、電極容量190に流れる電流IPが、等しくなり、電流IR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 (33)
- 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。
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