JP2005308530A - 角速度・加速度複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 角速度と加速度を検出するためのセンサ素子の搭載スペースの縮小化を図る。
【解決手段】 角速度検出時には、振動子１０に駆動電圧が印加されるようにすることで振動片１１および１２を振動させ、角速度検出が行えるようにする。加速度検出時には、振動子１０に駆動電圧が印加されないようにすることで振動片１１および１２の振動を停止させ、加速度検出が行えるようにする。これにより、１つの音叉型振動子しか備えていない素子部にて、角速度検出と加速度検出の双方を行うことが可能となり、角速度と加速度を検出するためのセンサ素子をそれぞれ別個に設ける場合と比べ、搭載スペースの縮小化を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、角速度および加速度の双方を１つの振動子によって検出できる角速度・加速度複合センサに関するものである。

近年、自動車などの走行制御は、車両の旋回角速度、前後加速度、横加速度に基づいて行われることが多く、これらの情報を得るために、各車両に、角速度センサや加速度センサを搭載させている。
特開平９−１１３２８５号公報

車両におけるセンサ搭載スペースは限られており、できるだけ小さな空間内にセンサを収容したいという要求がある。しかしながら、従来では、角速度センサと加速度センサが別々の構成となっていることから、物理的に、２つのセンサのための搭載スペースが必要となり、車両内部の占有体積が大きくなるという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、角速度と加速度を検出するためのセンサ素子の搭載スペースの縮小化を図ることができる角速度・加速度複合センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、角速度や前後および左右加速度に応じて変位する振動子と、角速度に応じた振動子の変位から角速度を検出する角速度検出手段と、前後および左右加速度に応じた振動子の変位に基づいて、加速度を検出する加速度検出手段と、振動子に対して駆動電圧を印加することにより、振動子を振動させる駆動手段と、駆動手段から振動子に駆動電圧を印加させることで、振動子を振動させ角速度を検出し、駆動手段から振動子に駆動電圧を印加されないようにすることで、振動子の振動を停止させ加速度を検出する切替手段と、を備えていることを特徴としている。

このように、角速度検出時には、振動子に駆動電圧が印加されるようにすることで振動子を振動させ、角速度検出が行えるようにしている。そして、加速度検出時には、振動子に駆動電圧が印加されないようにすることで振動子の振動を停止させ、加速度検出が行えるようにしている。

このようにすることで、１つのセンサ素子（振動子）により、角速度検出と加速度検出の双方を行うことが可能となる。これにより、角速度と加速度を検出するためのセンサ素子をそれぞれ別個に設ける場合のように各センサ素子の搭載スペースを確保する必要が無く、１つの搭載スペースで済むことから、搭載スペースの縮小化を図ることができる。

例えば、請求項２に示されるように、振動子として、二本並べられた振動片を有する音叉型振動子を備えるものに請求項１に示される発明が適用される。この場合、駆動手段にて、この音叉型振動子に駆動電圧を印加することによって振動片を互いに逆相で振動させる。そして、角速度検出時には、切替手段によって駆動電圧を印加させ、振動片を振動させる。これにより、振動片が角速度によって該振動片の長手方向および該二本の振動片の並列方向に対する垂直方向に変位するため、これに基づいて角速度を求める。一方、加速度検出時には、切替手段によって振動片の振動を停止させる。そして、振動片が前後および左右加速度によって二本の振動片の並列方向もしくはこの並列方向および長手方向に対して垂直に変位するため、これに基づいて前後および左右加速度を求める。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である角速度・加速度複合センサの素子部の構造を示す斜視図である。

角速度・加速度複合センサを構成する素子部は、振動子１０によって構成されている。振動子１０は、振動子基部１０ａから２本の振動片１１および１２が突出した音叉型振動子である。この振動子１０は、例えばセラミックのような非圧電材料からできており、振動片１１、１２の表面上にＰＺＴなどの圧電体が貼り付けられた構成となっている。

本図では、この振動子１０における２本の振動片１１および１２が並べられた方向をＸ方向、これら振動片１１および１２の長手方向をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向としている。以下、Ｘ方向に関しては紙面右側を正、Ｙ方向に関しては紙面上側を正、Ｚ方向に関しては紙面手前側を正として表すものとする。

圧電体の表面には、各種電極が所望パターンで形成されている。図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、駆動および振動検出を行うための電極配置を示している。

図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面において、駆動用電極Ｄ＋、Ｄ−およびＸ方向の加速度検出用電極Ｍ＋、Ｍ−の配置を示したものである。この図に示されるように、駆動用電極Ｄ＋、Ｄ−およびＸ方向の加速度検出用電極Ｍ＋、Ｍ−は、振動片１１および１２のうち図１に示されるＸ方向と垂直な面に形成されている。

図２（ｂ）は、図１のＡ−Ａ断面において、Ｙ軸回りの角速度検出用およびＺ方向の加速度検出用の電極Ｓ＋、Ｓ−の配置を示したものである。この図に示されるように、Ｙ軸回りの角速度検出用およびＺ方向の加速度検出用の電極Ｓ＋、Ｓ−は、振動片１１および１２のうち図１に示されるＺ方向と垂直な面に形成されている。

そして、図示しないが、振動子１０の一面、例えば図１における紙面手前方向の一面に各電極に電気的に接続されたパッドが形成され、このパッドにワイヤボンディングなどが成されることで、各電極と回路部との電気的接続が成された構成となっている。

このように構成された素子部は、圧電体自身が逆圧電効果により歪むことを利用して、振動片１１、１２を駆動させる。例えば、駆動用電極Ｄ＋に電圧を印加すると、振動片１２はＹ方向に縮み外側に屈曲し、電圧印加を止めれば元に戻る。この電圧印加を周期的に行うことで、Ｘ方向に振動させることができる。

そして、振動片の形状や材質で決まる固有振動数で、振動片をＸ方向に互いに逆相で駆動させ、コリオリの力によるＺ方向の振動に基づいて、Ｙ軸回りの角速度を検出するとともに、Ｘ方向の振動のオフセット成分からＸ方向の加速度を検出し、Ｚ方向の振動のオフセット成分からＺ方向の加速度を検出する。

図３に示す素子部の模式図を参照して、角速度および加速度の検出原理を説明する。

〔角速度の検出〕
図３に示すように、振動子１０の振動片１１および１２をＸ方向に互いに逆相で駆動し、振動させた状態で振動子１０がＹ軸を中心に角速度Ωで回転すると、振動片１１および１２には、Ｆ＝２ｍＶ・Ωで表されるコリオリの力ＦがＺ方向に発生する。なお、ｍは振動片の質量、Ｖは振動速度を示している。このコリオリの力Ｆの発生によって、振動片１１および１２はＸ方向の振動に対し９０°位相がずれ、Ｚ方向に互いに逆相で振動する。したがって、振動片１１および１２のＺ方向の振動からＹ軸周りの角速度を検出することができる。

〔加速度の検出〕
振動子１０の基部が駆動されず固定されており、例えばその固定対象がＸ方向において正（以下、＋Ｘという）の向きに加速して移動したとすると、振動片１１および１２はその先端部が慣性によって取り残されるため、共にＸ方向の負（以下、−Ｘという）の向きに加速度に応じて屈曲する。振動片１１および１２は、通常前述した角速度検出のためにＸ方向に互いに逆相で駆動されているので、−Ｘの向きの屈曲は、駆動振動の＋Ｘ側へのオフセットとして現れる。したがって、このオフセット量を検出すれば、Ｘ方向の加速度を逆算して求めることができる。Ｚ方向の加速度も同様にして求めることができる。

次に、図４に、素子部の各電極が接続される回路部の構成を示す。この図に示されるように、回路部は、位相反転回路１００、チャージアンプ１０１〜１０４、ゲインコントロール回路１０５、差動増幅回路１０６、１０８、加算増幅回路１０７、１０９、位相変調回路１１０、同期検波回路１１１、整流回路１１２、駆動基準電圧発生回路１１３および停止基準電圧発生回路１１４を備えている。

チャージアンプ１０１〜１０４は、検出およびモニタ電極に発生した電荷量を反転増幅して電圧値に変換する回路である。各チャージアンプ１０１〜１０４には、それぞれ、Ｘ方向の加速度検出用電極Ｍ＋、Ｍ−とＹ軸回りの角速度検出用およびＺ方向の加速度検出用の電極Ｓ＋、Ｓ−が接続され、これら各電極に蓄えられた電荷量が入力されるようになっている。

差動増幅回路１０６は、チャージアンプ１０１および１０２の出力電圧差を増幅する回路である。ここでは、チャージアンプ１０１および１０２にＸ方向の加速度検出用電極Ｍ＋、Ｍ−の電荷量が入力されるようになっていることから、差動増幅回路１０６の出力電圧は、振動片のＸ方向の振動振幅を表すことになる。

位相変調回路１１０は、差動増幅回路１０６から出力されるモニタ出力信号の位相を９０°ずらすものである。この位相変調回路１１０によって９０°位相がずらされたモニタ出力信号が整流回路１１２にて整流される。そして、オペアンプ１１８を介して、この整流後のモニタ出力信号と駆動基準電圧発生回路１１３の出力する駆動用基準電圧との出力電圧差がゲインコントロール回路１０５に伝達されるようになっている。

ゲインコントロール回路１０５は、振動振幅が一定になるようにゲイン調整を行うもので、このゲインコントロール回路１０５によってゲイン調整が行われることで、駆動用電極Ｄ＋に周期的な電圧が印加されるようになっている。なお、駆動用電極Ｄ−には位相反転回路１００を介して、駆動用電極Ｄ＋と逆位相の電圧が印加されるようになっている。

加算増幅回路１０７は、チャージアンプ１０１および１０２の出力電圧を加算して増幅する回路であり、出力信号は振動片１１および１２に加わるＸ方向の加速度成分の２倍に本回路に設定された所定の増幅倍率を乗算した成分を残すようになっている。このため、出力端子１１５に、Ｘ方向の加速度に応じた加速度検出信号が出力される。

差動増幅回路１０８は、チャージアンプ１０３および１０４の出力電圧差を増幅する回路である。ここでは、チャージアンプ１０３および１０４にＹ軸回りの角速度検出用およびＺ方向の加速度検出用の電極Ｓ＋、Ｓ−が接続されていることから、差動増幅回路１０８の出力は、Ｚ方向の振動に応じた信号となる。

角速度の検出原理で述べたように、振動子１０にＹ軸回りの回転が加わると、Ｘ方向に振動している振動片１１および１２に対してＺ方向にコリオリ力が作用し、駆動信号として駆動用電極Ｄ＋、Ｄ−に印加される電圧に対して９０°位相のずれた振動が発生する。振動片１１および１２はＺ方向に逆相で振動するため、電極Ｓ＋と電極Ｓ−の出力信号の差をとることで角速度に応じた出力電圧を得ることができる。ただし、差動増幅後の出力は、駆動振動に同期した正弦波形となるため、位相変調回路１１０で９０°位相をずらしたモニタ出力信号を用いて同期検波し、さらに積分平滑化することで、出力端子１１６にＹ軸周りの角速度に応じた角速度検出信号が出力されるようになっている。

加算増幅回路１０９は、チャージアンプ１０３および１０４の出力電圧を加算して増幅する回路であり、出力信号は振動片１１および１２に加わるＺ方向の加速度成分の２倍に本回路で設定された所定の増幅倍率を乗算した成分を残すようになっている。このため、出力端子１１７に、Ｚ方向の加速度に応じた加速度検出信号が出力される。

停止基準電圧発生回路１１４は、モニタ出力の中点電圧を出力する。そして、スイッチ１１９にて、整流回路１１２のリファレンスをこの駆動基準電圧発生回路１１３が発生させる駆動用基準電圧から停止基準電圧発生回路１１４が発生させる停止用基準電圧に切り替えることで、ゲインコントロール回路１０５を通じて、振動片１１および１２の振動を打ち消す信号が駆動用電極Ｄ＋、Ｄ−に入力される。

その結果、振動片１１および１２の振動が強制停止させられ、瞬時に２軸加速度センサとして機能させることができる。それに加えて、振動片１１および１２の駆動振動異常による「外乱」を除去することも可能となり、加速度の検出精度を向上させることも可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、角速度検出時には、振動子１０に駆動電圧が印加されるようにすることで振動片１１および１２を振動させ、角速度検出が行えるようにしている。そして、加速度検出時には、振動子１０に駆動電圧が印加されないようにすることで振動片１１および１２の振動を停止させ、加速度検出が行えるようにしている。このようにすることで、１つの音叉型振動子しか備えていない素子部により、角速度検出と加速度検出の双方を行うことが可能となる。これにより、角速度と加速度を検出するためのセンサ素子をそれぞれ別個に設ける場合のように各センサ素子の搭載スペースを確保する必要が無く、１つの搭載スペースで済むことから、搭載スペースの縮小化を図ることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図５は、本発明の第２実施形態である角速度・加速度複合センサの素子部の構造を示す斜視図である。

図５に示される振動子２０は、振動子基部２０ａから２本の振動片２１および２２が突出した音叉型振動子となっている。第１の実施形態との違いは振動片２１および２２の材質である。この振動子２０は、例えば水晶のような圧電材料からできており、振動片２１および２２に電圧印加用の駆動用電極が直接貼り付けられている。振動子２０自身が逆圧電効果により歪むことを利用して振動させる。また、振動検出についても検出電極を振動片２１および２２に直接貼り付け、振動による変形により振動片２１および２２に発生する誘電分極を検出電極で直接検出する。

図６は、図５のＢ−Ｂ断面図であり、駆動および振動検出を行うための電極配置を示している。

図６（ａ）は、図５のＢ−Ｂ断面において、駆動用電極Ｄ＋、Ｄ−およびＸ方向の加速度検出用電極Ｍ１＋、Ｍ２＋、Ｍ１−、Ｍ２−の配置を示したものである。この図に示されるように、駆動用電極Ｄ＋、Ｄ−は、それぞれ振動片２１および２２の側面の対称位置に配置されている。具体的には、駆動用電極Ｄ＋は、振動片２１の外側側面と振動片２２の紙面手前側および紙面向う側の側面における外側位置に配置され、駆動用電極Ｄ−は、振動片２２の外側側面と振動片２１の紙面手前側および紙面向う側の側面における外側位置に配置されてている。

また、Ｘ方向の加速度検出用電極Ｍ１＋〜Ｍ２−も、それぞれ振動片２１および２２の側面の対称位置に配置されている。具体的には、加速度検出用電極Ｍ１＋は、振動片２１の内側側面に配置され、加速度検出用電極Ｍ２＋は振動片２２の内側側面に配置され、加速度検出用電極Ｍ１−は、振動片２１の紙面手前側および紙面向う側の側面における内側位置に配置され、加速度検出用電極Ｍ２−は、振動片２２の紙面手前側および紙面向う側の側面における内側位置に配置されている。

図６（ｂ）は、図５のＢ−Ｂ断面において、Ｙ軸回りの角速度検出用およびＺ方向の加速度検出用の電極Ｓ１＋、Ｓ２＋、Ｓ１−、Ｓ２−の配置を示したものである。この図に示されるように、Ｙ軸回りの角速度検出用およびＺ方向の加速度検出用の電極Ｓ１＋〜Ｓ２−も、振動片２１および２２の側面の対称位置に配置されている。

具体的には、電極Ｓ１＋は、振動片２１の側面が形成する４つのコーナー部のうち対角線上に位置する２つのコーナー部に配置され、電極Ｓ１−は、振動片２１の４つのコーナー部のうち電極Ｓ１＋とは異なる対角線上に位置する２つのコーナー部に配置され、電極Ｓ２＋は、振動片２２の側面が形成する４つのコーナー部のうち対角線上に位置する２つのコーナー部に配置され、電極Ｓ２−は、振動片２２の４つのコーナー部のうち電極Ｓ２＋とは異なる対角線上に位置する２つのコーナー部に配置されている。

このような素子部を有する角速度・加速度複合センサの回路部の構成を図７に示す。この図に示されるように、Ｘ方向の加速度検出用電極Ｍ１＋〜Ｍ２−、Ｙ軸回りの角速度検出用およびＺ方向の加速度検出用の電極Ｓ１＋〜Ｓ２−は、すべて、チャージアンプ２０１〜２０８に接続され、これら各電極に発生した電荷量が反転増幅されて電圧値に変換される。そして、差動増幅回路２０９〜２１２によって、各チャージアンプ２０１〜２０８の出力電圧差が増幅される。

このような構成により、Ｘ方向の加速度成分、Ｙ軸周りの角速度成分、Ｚ方向の加速度成分の２倍に相当する成分が各差動増幅回路２０９〜２１２から出力されることになる。そして、第１実施形態における図４に示した各構成１０５〜１１７と同様の構成を用いて、上記のように得た各加速度および角速度成分から、Ｘ方向の加速度、Ｙ軸周りの角速度、Ｚ方向の加速度が求められる。

本実施形態の構成によれば、Ｘ方向の加速度成分、Ｙ軸周りの角速度成分、Ｚ方向の加速度成分の２倍に相当する成分を用いて、角速度および加速度検出を行うことができるため、より高感度な角速度および加速度検出が可能となる。

なお、これら角速度および加速度の検出原理については、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本発明の第１実施形態における角速度・加速度複合センサにおける素子部の斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面における電極構造を説明するための模式図である。 角速度および加速度の検出原理を示す模式図である。 素子部の各電極が接続される回路部の構成を示したブロック図である。 本発明の第２実施形態における角速度・加速度複合センサにおける素子部の斜視図である。 図５のＢ−Ｂ断面における電極構造を説明するための模式図である。 素子部の各電極が接続される回路部の構成を示したブロック図である。

符号の説明

１０、３０…振動子、１１、１２、３１、３２…振動片、１００…位相反転回路、１０１〜１０４、２０１〜２０８…チャージアンプ、１０５…ゲインコントロール回路、１０６〜１０９、２０９〜２１２…差動増幅回路、１１０…位相変調回路、１１１…同期検波回路、１１２…整流回路、１１３…駆動基準電圧発生回路、１１４…停止基準電圧発生回路、１１９…スイッチ。

Claims (2)

1. 角速度や前後および左右加速度に応じて変位する振動子と、
   前記角速度に応じた前記振動子の変位から前記角速度を検出する角速度検出手段と、
   前記前後および左右加速度に応じた前記振動子の変位に基づいて、前記加速度を検出する加速度検出手段と、
   前記振動子に対して駆動電圧を印加することにより、前記振動子を振動させる駆動手段と、
   前記駆動手段から前記振動子に前記駆動電圧を印加させることで、前記振動子を振動させ前記角速度を検出し、前記駆動手段から前記振動子に前記駆動電圧を印加されないようにすることで、前記振動子の振動を停止させ前記加速度を検出する切替手段と、を備えていることを特徴とする角速度・加速度複合センサ。
2. 前記振動子は、二本並べられた振動片を有する音叉型振動子であり、
   前記駆動手段は、この音叉型振動子に前記駆動電圧を印加することによって前記振動片を互いに逆相で振動させるようになっており、
   前記切替手段によって前記振動片が振動させられると、前記振動片が前記角速度により、該振動片の長手方向および該二本の振動片の並列方向に対する垂直方向に変位することに基づいて前記角速度を求め、
   前記切替手段によって前記振動片の振動が停止させられると、前記振動片が前記前後および左右加速度により、該二本の振動片の並列方向もしくはこの並列方向および前記長手方向に対して垂直に変位することに基づいて前記前後および左右加速度を求めるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の角速度・加速度複合センサ。
   

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