JP2006322818A - Angular velocity sensor - Google Patents
Angular velocity sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006322818A JP2006322818A JP2005146598A JP2005146598A JP2006322818A JP 2006322818 A JP2006322818 A JP 2006322818A JP 2005146598 A JP2005146598 A JP 2005146598A JP 2005146598 A JP2005146598 A JP 2005146598A JP 2006322818 A JP2006322818 A JP 2006322818A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- drive
- angular velocity
- capacitance
- monitor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
この発明は、角速度センサに関し、特にたとえば、印加された角速度によって静電容量が変化する静電容量型の角速度センサに関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor, and more particularly, for example, to a capacitance-type angular velocity sensor in which capacitance changes according to an applied angular velocity.
図6は、この発明の背景となる角速度センサに用いられる振動子の一例を示す斜視図である。振動子10は、単結晶シリコン材料などで形成された基板12を含む。基板12上には、略矩形状の可動部14が形成される。可動部14の4つの端部からは、支持梁16が延びるように形成される。支持梁16は折り曲げられて、その先端部が基板12に固定される。
FIG. 6 is a perspective view showing an example of a vibrator used in the angular velocity sensor as the background of the present invention. The
可動部14の一つの側部には、くし歯状の可動電極18が形成される。この可動電極18に対向して、駆動電極22が形成される。駆動電極22からは、可動電極18と噛み合うように延びる固定電極22aが形成される。可動部14における可動電極18が形成されている側部と背向する側部には、くし歯状の可動電極20が形成される。この可動電極20に対向して、モニター電極24が形成される。モニター電極24からは、可動電極20と噛み合うように延びる固定電極24aが形成される。
A comb-like
さらに、可動部14の他の側部には、それぞれ可動電極34,36が形成される。これらの可動電極34,36に対向して、検出電極38,40が形成される。これらの検出電極38,40からは、可動電極34,36と噛み合うように延びる固定電極38a,40aが形成される。
Furthermore,
駆動電極22およびモニター電極24には、図7に示すように、発振回路50が接続される。発振回路50は、モニター電極24で検出される静電容量の変化を電圧に変換するためのCV変換回路52を含み、このCV変換回路52がモニター電極24に接続される。CV変換回路52の出力端は、位相調整回路54に接続され、さらに位相調整回路54は振幅調整回路56に接続される。そして、振幅調整回路56の出力端が、駆動電極22に接続される。
An
また、検出電極38,40には、それぞれCV変換回路60,62が接続される。CV変換回路60,62では、検出電極38,40で検出される静電容量の変化が電圧に変換される。検出電極38,40で検出される静電容量の変化は、振動子10に印加される角速度に対応するため、CV変換回路60,62からは、角速度に対応した信号が出力される。これらのCV変換回路60,62から出力される信号が、角速度信号処理回路64で処理されて、角速度信号として出力される。
Further,
この振動子10においては、駆動電極22に駆動信号を入力することにより、可動部14が駆動電極22とモニター電極24とを結ぶ方向(図7のX方向)に振動する。可動部14が振動すると、可動電極20と固定電極24aとの対向面積が変化して、モニター電極24で検出される静電容量が変化する。このモニター電極24で検出される静電容量変化が、CV変換回路52で電圧に変換される。このようにして電圧に変換された信号が、位相調整回路54で位相調整され、さらに振幅調整回路56で振幅調整されることにより、駆動信号が生成される。そして、この駆動信号が、駆動電極22に入力される。このようにして、閉ループ発振回路が形成され、可動部14は、X方向において、共振周波数で安定的に励振される。
In the
可動部14が励振された状態で、基板12の面に直交する軸を中心として、振動子12に角速度が印加されると、2つの検出電極38,40を結ぶ方向(図7のY方向)にコリオリ力が作用し、可動部14がY方向に振動する。検出電極38,40においては、コリオリ力によって生じる可動部14の変位に応じた静電容量変化が検出され、その静電容量変化がCV変換回路60,62で電圧信号に変換される。電圧信号に変換された検出信号は、角速度信号処理回路64において、たとえば差動増幅、同期検波、平滑、増幅などの工程を経て、角速度に応じた直流電圧信号に変換され、角速度信号として出力される。
When an angular velocity is applied to the
ここで、CV変換回路60としては、たとえば図8に示すように、オペアンプ70を含む回路が用いられる。このオペアンプ70の反転入力端に、振動子10の検出電極38が接続される。さらに、オペアンプ70の出力端と反転入力端との間には、帰還抵抗72が接続される。また、オペアンプ70の非反転入力端は、基準電圧源74を介して接地される。なお、ここで用いられている振動子10の可動部14は、支持梁16を介して接地されているが、可動部14は、基準電圧源74と異なる電圧であれば、接地に限らず任意の定電圧源に接続することができる。
Here, as the
このCV変換回路60では、オペアンプ70の非反転入力端に基準電圧源74が接続されていることにより、イマジナリショートによって反転入力端が基準電圧源74と同じ電圧に設定される。これにより、振動子10の固定電極38aは、基準電圧源74で設定した電圧値にバイアスされる。したがって、検出電極38で検出される静電容量をC、固定電極38aへのバイアス電圧をVb、帰還抵抗72を流れる電流をi、時間をtとすると、可動電極34と固定電極38aとで構成される静電容量に蓄積される電荷量Qは、次式で表される。
Q=CVb=it ・・・(1)
振動子10に角速度が印加され、コリオリ力による可動部14の振動によって検出電極38で検出される静電容量Cが変化すると、可動電極34と固定電極38aとで構成される静電容量に蓄積される電荷量Qも変化する。このとき、バイアス電圧Vbは、オペアンプ70のイマジナリショートによって設定されているため、静電容量が変化しても変わらない。したがって、電荷量の変化ΔQは、次式で表される。
ΔQ=ΔCVb ・・・(2)
振動子10の可動電極34と固定電極38aとで構成される静電容量から放出または吸引された電荷ΔQは、帰還抵抗72を流れる電流Δiとなる。したがって、次式が成り立つ。
ΔQ=Δit ・・・(3)
ここで、時間tは、静電容量が変化する時間を示す。これは、可動部14の励振周波数に等しい。帰還抵抗72を流れる電流Δiにより、CV変換回路60の出力には、電圧変化ΔVoが発生する。ここで、帰還抵抗72の抵抗値をRとすると、出力の電圧変化ΔVoは、次式で表される。
ΔVo=ΔiR ・・・(4)
(2)、(3)、(4)式より、次式が導き出される。
ΔVo=ΔiR=ΔCVbR/t ・・・(5)
このようにして、検出電極38で検出される静電容量変化が電圧変化に変換される。他のCV変換回路52,62においても、同様にしてモニター電極24および検出電極40で検出される静電容量変化が、電圧変化に変換される(特許文献1参照)。
In the
Q = CVb = it (1)
When the angular velocity is applied to the
ΔQ = ΔCVb (2)
The charge ΔQ released or attracted from the capacitance formed by the
ΔQ = Δit (3)
Here, the time t indicates the time when the capacitance changes. This is equal to the excitation frequency of the
ΔVo = ΔiR (4)
From the expressions (2), (3) and (4), the following expression is derived.
ΔVo = ΔiR = ΔCVbR / t (5)
In this way, the change in capacitance detected by the
このような振動子10において、駆動電極22とモニター電極24の間の静電結合容量が大きいと、駆動信号がモニター電極から得られる信号に回り込む。この回り込み駆動信号がノイズとしてモニター信号に重畳されると、駆動信号の正確な制御ができず、可動部14を正確に共振周波数で振動させることが難しくなる。
In such a
そこで、駆動電極22とモニター電極24の間の静電結合容量の影響を小さくするために、駆動電極22およびモニター電極24に接続されるワイヤと検出電極38,40に接続されるワイヤとの間に、これらのワイヤを電気的に遮断するための遮断用ワイヤを設ける技術が開示されている(特許文献2参照)。この遮断用ワイヤが、たとえばグランド電位などの所定の電位に接続され、図7に点線で示すように、振動子10と各回路とを接続するワイヤが電気的に遮断される。
また、振動する脚を有する音叉を用いたジャイロスコープにおいて、駆動用電極と検出用電極との間に、電極間を静電的に遮蔽するための遮蔽部を設ける技術が開示されている(特許文献3参照)。
さらに、信号処理回路内に静電結合容量によって生じるノイズの影響を小さくするための手段を設ける技術が開示されている(特許文献4参照)。
Therefore, in order to reduce the influence of the electrostatic coupling capacitance between the
Further, in a gyroscope using a tuning fork having a vibrating leg, a technique is disclosed in which a shielding portion for electrostatically shielding between electrodes is provided between a driving electrode and a detection electrode (patent) Reference 3).
Furthermore, a technique is disclosed in which means for reducing the influence of noise caused by electrostatic coupling capacitance is provided in a signal processing circuit (see Patent Document 4).
しかしながら、特許文献2や特許文献3の技術では、遮断用のワイヤや遮蔽部などを別途設ける必要があり、振動子自体が大型化してしまう。また、特許文献4の技術では、振動子自体は大型化しないものの、信号処理回路が複雑化するという問題がある。
However, in the techniques of Patent Literature 2 and
それゆえに、この発明の主たる目的は、振動子の大型化や信号処理回路の複雑化を防止しながら、回り込み駆動信号の影響を少なくすることができる角速度センサを提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can reduce the influence of a sneak-in driving signal while preventing an increase in size of a vibrator and a complication of a signal processing circuit.
この発明は、直交する2つの方向に可動な少なくとも1つの可動部と、可動部を所定の駆動方向に振動させるための駆動信号が入力される少なくとも1つの駆動電極と、駆動信号による可動部の所定の方向の振動状態を静電容量変化に基づきモニターするための少なくとも1つのモニター電極と、駆動方向と直交する向きにおける可動部の振動状態を静電容量変化に基づき検出するための少なくとも1つの検出電極とを有する振動子、およびモニター電極から得られるモニター信号から駆動電極に入力される駆動信号を生成するための発振回路を含む角速度センサにおいて、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量をモニター電極の検出容量の1/30以下にしたことを特徴とする、角速度センサである。
このような角速度センサにおいて、駆動電極とモニター電極との間に電気的遮蔽を設けることなく、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量をモニター電極の検出容量の1/30以下にすることが好ましい。
The present invention relates to at least one movable part movable in two orthogonal directions, at least one drive electrode to which a drive signal for vibrating the movable part in a predetermined drive direction is input, and At least one monitor electrode for monitoring a vibration state in a predetermined direction based on a change in capacitance, and at least one for detecting a vibration state of a movable part in a direction orthogonal to the driving direction based on the change in capacitance. Electrostatic coupling capacitance between drive electrode and monitor electrode in angular velocity sensor including vibrator having detection electrode and oscillation circuit for generating drive signal input to drive electrode from monitor signal obtained from monitor electrode The angular velocity sensor is characterized in that is 1/30 or less of the detection capacity of the monitor electrode.
In such an angular velocity sensor, the electrostatic coupling capacitance between the drive electrode and the monitor electrode should be 1/30 or less of the detection capacitance of the monitor electrode without providing an electrical shield between the drive electrode and the monitor electrode. Is preferred.
本発明者は、振動子の駆動電極とモニター電極の間に発生する静電結合容量を完全になくすのは不可能であるとしても、それがどの程度の大きさであれば、振動子に悪影響を与えるのかに注目した。そこで、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量と駆動信号安定性との関係を確認し、静電結合容量がモニター電極の検出容量の1/30以下のとき、駆動信号安定性が良好で、可動部の振動状態が安定することが確認された。
なお、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量がモニター電極の検出容量の1/30以下となるための電極配置構造は、シミュレーションにより容易に設計できるものであり、かつ幾通りものパターンがあるため、特定の電極配置構造に限定されるものではない。
Even if it is impossible to completely eliminate the electrostatic coupling capacitance generated between the drive electrode and the monitor electrode of the vibrator, the present inventor has an adverse effect on the vibrator. Focused on giving Therefore, the relationship between the electrostatic coupling capacitance between the driving electrode and the monitor electrode and the driving signal stability is confirmed, and when the electrostatic coupling capacitance is 1/30 or less of the detection capacitance of the monitoring electrode, the driving signal stability is good. Thus, it was confirmed that the vibration state of the movable part was stabilized.
The electrode arrangement structure for the electrostatic coupling capacitance between the drive electrode and the monitor electrode to be 1/30 or less of the detection capacitance of the monitor electrode can be easily designed by simulation, and there are various patterns. Therefore, it is not limited to a specific electrode arrangement structure.
この発明によれば、シミュレーションによって、振動子における電極配置構造を設計することにより、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量を小さくすることができ、可動部の振動状態が安定した振動子を得ることができる。そのため、角速度センサに印加された角速度に対応した検出信号を得ることができ、正確に角速度を検出することができる。また、振動子に別途ワイヤや遮蔽部などを設ける必要がなく、信号処理回路にも特別な回路を付加する必要がないため、振動子の大型化や信号処理回路の複雑化を防止することができる。 According to this invention, by designing the electrode arrangement structure in the vibrator by simulation, the electrostatic coupling capacitance between the drive electrode and the monitor electrode can be reduced, and the vibrator in which the vibration state of the movable part is stable Can be obtained. Therefore, a detection signal corresponding to the angular velocity applied to the angular velocity sensor can be obtained, and the angular velocity can be accurately detected. In addition, it is not necessary to provide a separate wire or shield for the vibrator, and it is not necessary to add a special circuit to the signal processing circuit, thereby preventing an increase in the size of the vibrator and the complexity of the signal processing circuit. it can.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of the best mode for carrying out the invention with reference to the drawings.
図1は、この発明の角速度センサの一例を示す図解図である。角速度センサ80は、図6に示す振動子10を含む。振動子10の駆動電極22およびモニター電極24には、図7に示す回路と同様に、CV変換回路52、位相調整回路54、振幅調整回路56からなる発振回路50が接続される。また、検出電極38,40には、それぞれCV変換回路60,62が接続され、CV変換回路60,62は、角速度信号処理回路64に接続される。
FIG. 1 is an illustrative view showing one example of an angular velocity sensor of the present invention. The
この角速度センサ80においては、従来の角速度センサにおける振動子に設けられていたような、駆動電極22およびモニター電極24と発振回路50とを接続するワイヤを電気的に遮蔽するための遮蔽用ワイヤは形成されていない。なお、角速度信号処理回路64は、図7における従来の角速度信号処理回路と同じものである。
In this
上述のように、この角速度センサ80では、駆動電極22およびモニター電極24の間を遮蔽するための遮蔽用ワイヤが設けられていないため、図1に二点鎖線で静電容量を示すように、駆動電極22およびモニター電極24の間に静電結合容量Ccが形成される。ここで、駆動電極22、モニター電極24、検出電極38,40などに連結される固定電極22a,24a,38a,40aと、これらの電極と噛み合う可動電極18,20,34,36の電極配置構造については、シミュレーションにより設計され、駆動電極22とモニター電極24の間の静電結合容量Ccがモニター電極24の検出容量の1/30以下となるように、電極配置構造が設計される。駆動電極22とモニター電極24の間の静電結合容量は、シミュレーションにより容易に設計することができ、静電結合容量Ccがこのように設計されていれば、電極配置構造は限定されるものではない。
As described above, in this
このような角速度センサ80を用いて、駆動電圧過度特性を測定した。また、比較例として、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量がモニター電極の検出容量の1/30より大きい振動子を用いて、駆動電圧過度特性を測定した。これらの測定結果を図2〜図5に示した。
Using such an
図2は、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ccが0の振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。また、図3は、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ccがモニター電極の検出容量Cmの1/30である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。また、図4は、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ccがモニター電極の検出容量Cmの1/15である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。また、図5は、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ccがモニター電極の検出容量Cmの1/7.5である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。 FIG. 2 shows drive voltage transient characteristics when a vibrator having a capacitance Cc of 0 between the drive electrode and the monitor electrode is used. FIG. 3 shows drive voltage transient characteristics when using a vibrator in which the electrostatic coupling capacitance Cc between the drive electrode and the monitor electrode is 1/30 of the detection capacitance Cm of the monitor electrode. FIG. 4 shows drive voltage transient characteristics when using a vibrator in which the electrostatic coupling capacitance Cc between the drive electrode and the monitor electrode is 1/15 of the detection capacitance Cm of the monitor electrode. FIG. 5 shows drive voltage transient characteristics when using a vibrator in which the electrostatic coupling capacitance Cc between the drive electrode and the monitor electrode is 1 / 7.5 of the detection capacitance Cm of the monitor electrode.
図2および図3からわかるように、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ccがモニター電極の検出容量Cmの1/30以下である場合、駆動電圧振幅は安定している。それに対して、図4および図5からわかるように、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ccがモニター電極の検出容量Cmの1/30より大きい場合、駆動電圧振幅は不安定となっている。 As can be seen from FIGS. 2 and 3, when the electrostatic coupling capacitance Cc between the drive electrode and the monitor electrode is 1/30 or less of the detection capacitance Cm of the monitor electrode, the drive voltage amplitude is stable. On the other hand, as can be seen from FIGS. 4 and 5, when the electrostatic coupling capacitance Cc between the drive electrode and the monitor electrode is larger than 1/30 of the detection capacitance Cm of the monitor electrode, the drive voltage amplitude becomes unstable. ing.
このように、駆動電極とモニター電極の静電結合容量を小さくすることにより、安定した駆動信号を得ることができ、可動部14を正確に共振周波数で振動させることができる。そのため、角速度センサ80に角速度が印加されたときに、正確に角速度に対応した信号を検出電極38,40から得ることができる。
Thus, by reducing the electrostatic coupling capacitance between the drive electrode and the monitor electrode, a stable drive signal can be obtained, and the
さらに、この角速度センサ80では、回り込み駆動信号の影響を少なくするために、別途ワイヤや遮蔽部材などを設ける必要がなく、信号処理回路に特別な回路を付加する必要もない。そのため、正確に角速度を検出することができるにもかかわらず、振動子の大型化や信号処理回路の複雑化を防止することができる。
Further, in this
10 振動子
14 可動部
22 駆動電極
24 モニター電極
38,40 検出電極
50 発振回路
52 CV変換回路
54 位相調整回路
56 振幅調整回路
60,62 CV変換回路
64 角速度信号処理回路
80 角速度センサ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記モニター電極から得られるモニター信号から前記駆動電極に入力される駆動信号を生成するための発振回路を含む角速度センサにおいて、
前記駆動電極と前記モニター電極の間の静電結合容量を前記モニター電極の検出容量の1/30以下にしたことを特徴とする、角速度センサ。 At least one movable part movable in two orthogonal directions, at least one drive electrode to which a drive signal for oscillating the movable part in a predetermined drive direction is input, and the predetermined of the movable part by the drive signal At least one monitor electrode for monitoring the vibration state in the direction based on the capacitance change, and at least one for detecting the vibration state of the movable part in a direction orthogonal to the drive direction based on the capacitance change. In an angular velocity sensor including a vibrator having two detection electrodes, and an oscillation circuit for generating a drive signal input to the drive electrode from a monitor signal obtained from the monitor electrode,
An angular velocity sensor characterized in that an electrostatic coupling capacitance between the drive electrode and the monitor electrode is 1/30 or less of a detection capacitance of the monitor electrode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005146598A JP2006322818A (en) | 2005-05-19 | 2005-05-19 | Angular velocity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005146598A JP2006322818A (en) | 2005-05-19 | 2005-05-19 | Angular velocity sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006322818A true JP2006322818A (en) | 2006-11-30 |
Family
ID=37542612
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005146598A Pending JP2006322818A (en) | 2005-05-19 | 2005-05-19 | Angular velocity sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006322818A (en) |
-
2005
- 2005-05-19 JP JP2005146598A patent/JP2006322818A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100592985B1 (en) | Vibration type angular velocity sensor | |
JP2010256332A (en) | Vibrating reed, vibrator, and physical quantity detector | |
JP4310571B2 (en) | Capacitance detection type vibration gyro and capacitance change detection method | |
JP2006201118A (en) | Piezoelectric vibrating gyroscope element and gyro sensor | |
JP4536016B2 (en) | Vibrating gyro | |
JP2010237204A (en) | Mems gyroscope with reduced magnetic sensitivity | |
US8978473B2 (en) | Electrodes and associated electronic circuits for a piezoelectric vibrating gyrometer | |
JP4535989B2 (en) | Vibrating gyro | |
JP2004294405A (en) | Angular velocity sensor device and its regulating method | |
JP2005227215A (en) | Angular velocity sensor and its design method | |
JPH08278142A (en) | Angular velocity sensor | |
JPH08210860A (en) | Angular speed sensor | |
JP2007071654A (en) | Vibration gyro | |
JPH10206166A (en) | Vibration-type gyroscope | |
JP3555518B2 (en) | Potential sensor and electronic device using the same | |
JP2006322818A (en) | Angular velocity sensor | |
JP3732582B2 (en) | Angular velocity detector | |
JP5041465B2 (en) | Vibrator drive circuit | |
US7064541B2 (en) | Complementary metal-oxide semiconductor xylophone bar magnetometer with automatic resonance control | |
JPH08278141A (en) | Ceramic piezoelectric complex type angular velocity sensor | |
JP2008107271A (en) | Angular velocity sensor | |
KR0155240B1 (en) | Driving apparatus for electrostatic converting means | |
JP2007327781A (en) | Vibration sensor | |
JP4449383B2 (en) | Oscillator circuit | |
KR100585893B1 (en) | A micro gyroscope and a method for tuning the Q-factor thereof |