JP2008139054A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は角速度センサに関し、詳しくは2つの角速度検出軸を有する角速度センサに関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor, and more particularly to an angular velocity sensor having two angular velocity detection axes.
近年、GPS(Global Positioning System)を用いて車両の位置を検出し、車両の目的地などへの移動を補助するナビゲーション装置が広く利用されている。このナビゲーション装置では、基準点からの車両の移動方向を自立的に測位する方法が用いられ、車両に加わる角速度をナビゲーション装置に備えられた角速度センサが検知することで移動方向が求められている。
通常、ナビゲーション装置の車両への取り付けは、室内のセンターコンソール内に装着することが行われている。例えば、図11に示すように、車両100の室内のセンターコンソール内にナビゲーション装置101が装着される。このとき、ナビゲーション装置101の視認性の向上および操作部の操作性向上のために、操作パネル面が上向きとなるように装着される。この場合、車両の接地面に対する垂直方向からナビゲーション装置101は角度θ°傾けて取り付けられることになる。
このナビゲーション装置101が車両100に取り付けられた状態では、図12に示すように、このナビゲーション装置に備えられた角速度センサ104が回路基板105上に車両の接地面に対する垂直方向の軸108から角度θ°傾けられている。軸108は車両が回転するときの回転軸であり、角速度センサ104に内蔵されたセンサ素子106の角速度の検出軸(Z軸)109とは一致せず、θ°の傾きを持った状態に保持されている。このように、従来の角速度センサ104は回転の検出軸が1つであり、検出軸と直交する方向の軸に対する回転を検出しないことが一般的である。
In recent years, navigation devices that detect the position of a vehicle using GPS (Global Positioning System) and assist the movement of the vehicle to a destination or the like are widely used. In this navigation device, a method of autonomously measuring the moving direction of the vehicle from the reference point is used, and the moving direction is obtained by detecting an angular velocity applied to the vehicle by an angular velocity sensor provided in the navigation device.
Usually, the navigation device is attached to a vehicle by being installed in an indoor center console. For example, as shown in FIG. 11, a
In a state in which the
角速度センサ104は上記の傾き角θが大きくなるに従い、出力感度が低下するという特性があり、できるだけこの傾き角θを小さい状態で使用するのが望ましい。また、ナビゲーション装置において、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが可能であるが、低下した出力感度を補正により増幅した場合、それに含まれるノイズも増幅され、精度が悪くなる問題があり、補正できる傾き角は30°(±15%の感度変化)が限界である。
また、これらを解決するために角速度センサに内蔵されたセンサ素子(圧電振動子)を取り付け角に対応して、予めその分を傾斜させて取り付けた角速度センサが提案されている(特許文献1、2参照)。
The
In order to solve these problems, there has been proposed an angular velocity sensor in which a sensor element (piezoelectric vibrator) incorporated in an angular velocity sensor is attached with an inclination corresponding to the attachment angle in advance (Patent Document 1,). 2).
しかしながら、オーディオ機器などに比べて操作頻度の少ないナビゲーション装置はセンターコンソールの下段部分に装着される場合が多く、その取り付け角度θは30°以上から40°程度になることがある。
この場合、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが精度上好ましくなく、またセンサ素子(圧電振動子)を傾けて固定することはパッケージの大きさが大きくなるなどの問題がある。本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、センサ素子を傾けて固定することなく、角速度センサの検出軸と、実際の回転が加わる軸との角度が大きくても精度の良い角速度を検出可能な角速度センサを提供することにある。
However, navigation devices that are less frequently operated than audio devices and the like are often attached to the lower part of the center console, and the attachment angle θ may be about 30 ° to 40 °.
In this case, it is not preferable in terms of accuracy to correct the output sensitivity due to the mounting angle by a calculation process based on software, and tilting and fixing the sensor element (piezoelectric vibrator) increases the size of the package. There are problems such as. The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to increase the angle between the detection axis of the angular velocity sensor and the axis to which the actual rotation is applied without tilting and fixing the sensor element. Another object of the present invention is to provide an angular velocity sensor capable of detecting an angular velocity with high accuracy.
上記課題を解決するために、本発明は圧電振動子の振動を利用した角速度センサであって、角速度を検出する第1軸および該第1軸と直交する方向に設定された第2軸とを有し、前記第1軸の検出感度に対して前記第2軸の検出感度を15〜55%としたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an angular velocity sensor that uses vibration of a piezoelectric vibrator, and includes a first axis that detects angular velocity and a second axis that is set in a direction orthogonal to the first axis. And the detection sensitivity of the second axis is 15 to 55% with respect to the detection sensitivity of the first axis.
この構成によれば、ナビゲーション装置などに角速度センサが備えられ、装置が傾いた状態で取り付けられることで角速度センサの姿勢が40°まで傾いても、角速度を検出する第1軸および第2軸からの出力を検出して利用することで、ソフトによる補正を可能とする感度である±15%の感度変化に対応できる。そして、この補正により精度の良い角速度センサを得ることができる。 According to this configuration, the angular velocity sensor is provided in the navigation device or the like, and even if the angular velocity sensor is tilted up to 40 ° by being attached in a tilted state, the first axis and the second axis that detect the angular velocity are detected. By detecting and using this output, it is possible to cope with a sensitivity change of ± 15%, which is a sensitivity that enables correction by software. An accurate angular velocity sensor can be obtained by this correction.
本発明の角速度センサは、角速度の感度出力をQ、前記第1軸と回転のかかる軸の方向との角度をθ、前記第1軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をA、前記第2軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をB、としたとき、Q=Acosθ+Bsinθの式にて感度出力が算出されることを特徴とする。 The angular velocity sensor of the present invention is characterized in that the angular velocity sensitivity output is Q, the angle between the first axis and the direction of the rotation axis is θ, and the sensitivity ratio of the sensitivity change due to the angle between the first axis and the rotation axis. The sensitivity output is calculated by the equation of Q = A cos θ + B sin θ, where A is the sensitivity ratio of the sensitivity change due to the angle between the second axis and the rotation axis.
この角速度センサによれば、角速度を検出する第1軸、第2軸からの感度出力を回転のかかる軸に対する分力に換算して、それぞれ加算することで、回転のかかる軸における感度出力を得ることができる。
なお、ここで角速度センサにおける検出軸が実際の回転のかかる軸に対して傾きが生ずると、感度出力が低下する特性を持ち、傾き角による感度比A,Bが決められている。
According to this angular velocity sensor, the sensitivity output from the first axis and the second axis for detecting the angular velocity is converted into the component force with respect to the axis to which the rotation is applied and added to obtain the sensitivity output on the axis to which the rotation is applied. be able to.
Here, when the detection axis in the angular velocity sensor is inclined with respect to the axis on which the actual rotation is applied, the sensitivity output is reduced, and the sensitivity ratios A and B depending on the inclination angle are determined.
また、本発明の角速度センサは、前記圧電振動片が、基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕から前記第2軸に平行に延出され前記第1軸および第2軸に直交する方向に屈曲振動可能な駆動腕と、前記基部から延出する前記駆動腕に平行な検出腕と、を有し、前記検出腕における前記第1軸の角速度の検出が屈曲振動の検出で、前記検出腕における前記第2軸の角速度の検出が捩れ振動の検出であることを特徴とする。 In the angular velocity sensor according to the present invention, the piezoelectric vibrating piece extends from the base and the connecting arm connected to the base or the base to be parallel to the second axis and is orthogonal to the first axis and the second axis. And a detection arm parallel to the drive arm extending from the base, and detecting the angular velocity of the first axis in the detection arm is detection of flexural vibration, The detection of the angular velocity of the second axis in the detection arm is detection of torsional vibration.
この、いわゆるWT型の角速度センサにおいて、第1軸の振動成分は屈曲振動であり、第1軸と直交する第2軸の振動成分は捩れ振動となり、それぞれの振動モードが異なるため、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行える。 In this so-called WT type angular velocity sensor, the vibration component of the first axis is flexural vibration, the vibration component of the second axis orthogonal to the first axis is torsional vibration, and the respective vibration modes are different. Angular velocity can be detected with minimal signal influence.
また、本発明の角速度センサは、前記圧電振動片が、前記第2軸に平行に延出された2本の振動腕部と、前記振動腕部の両端をそれぞれ支持する2つ双音叉支持部と、前記双音叉支持部の近傍に配置される2つの支持固定部と、前記支持固定部と前記双音叉支持部との間をそれぞれ連結し前記第2軸に平行に延出された2つ検出部と、を有し、前記第1軸の角速度の検出が前記検出部の前記第1軸方向および前記第2軸に直交する方向の屈曲振動の検出であり、前記第2軸の角速度の検出が前記双音叉支持部の前記第1軸方向の屈曲振動の検出であることを特徴とする。 In the angular velocity sensor according to the present invention, the piezoelectric vibrating piece includes two vibrating arm portions that extend in parallel to the second axis, and two double tuning fork support portions that respectively support both ends of the vibrating arm portion. And two support fixing portions disposed in the vicinity of the double tuning fork support portion, and two extending between the support fixing portion and the double tuning fork support portion and extending parallel to the second axis. And detecting the angular velocity of the first axis is detection of bending vibration in the direction perpendicular to the first axis direction and the second axis of the detection unit, and detecting the angular velocity of the second axis. The detection is a detection of a bending vibration in the first axial direction of the double tuning fork support part.
この、いわゆる双音叉型の角速度センサにおいて、第1軸の振動成分の検出は検出部の屈曲振動の検出であり、第2軸の振動成分の検出は双音叉支持部の屈曲振動の検出である。また、これらの屈曲振動の方向はそれぞれ直交する方向に振動している。
このように、本発明の角速度センサは、角速度を検出する検出部が異なり、また、屈曲振動の方向が異なることから、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行える。
In this so-called double tuning fork type angular velocity sensor, detection of the vibration component of the first axis is detection of bending vibration of the detection unit, and detection of the vibration component of the second axis is detection of bending vibration of the double tuning fork support unit. . Further, the directions of these bending vibrations vibrate in directions orthogonal to each other.
As described above, the angular velocity sensor according to the present invention has different detection units for detecting the angular velocity, and the directions of the bending vibrations are different. Therefore, the angular velocity can be detected while minimizing the influence of the mutual detection signals.
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
(第1の実施形態)
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
図1は、本発明の実施形態に係る角速度センサの構造を示す斜視図である。図1において、本実施形態の角速度センサ1は圧電振動片10と図示しない検出手段としての検出回路と励振手段としての発振回路とから構成されている。なお、圧電振動片10は、周知の圧電材料にて形成することが可能であるが、本実施形態では水晶振動片を例示する。
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, an angular velocity sensor 1 according to this embodiment includes a
本実施形態では、圧電振動片10は水晶で形成され、電気軸と呼ばれるX軸、機械軸と呼ばれるY軸及び光学軸と呼ばれるZ軸のうち、X軸とY軸を含む平面に切り出したZカットの水晶基板により形成されている。
圧電振動片10の平面形状は、水晶の結晶軸に合わせてXY平面に展開され、重心位置Gに対して180°点対称の形状である。
In the present embodiment, the piezoelectric
The planar shape of the piezoelectric vibrating
圧電振動片10には、X軸方向とY軸方向にそれぞれ平行な端面をもつ矩形状の基部20が形成され、基部20のY軸に平行な2端面の中央からX軸に平行に延出される第1の連結腕31と第2の連結腕32の先端部からY軸に平行な一対の駆動腕40,50と、基部20のX軸に平行な2端面の中央からY軸に平行な直線上に延出される検出腕60とが形成されている。
駆動腕40は、基部20の端面からX軸方向に延出される第1の連結腕31と、第1の連結腕31に対して直交しY軸方向及びマイナスY軸方向に延出される2本の振動部41,42で構成されている。同様に、駆動腕50は、基部20からマイナスX軸方向に延出される第2の連結腕32に直交しY軸方向及びマイナスY軸方向に延出される2本の振動部51,52で構成されている。
The piezoelectric
The
振動部41,42,51,52の先端にはそれぞれ、各振動部より幅の広い略四角形の錘部43,44,53,54が形成されている。
また、検出腕60は、基部20の2端部からY軸方向及びマイナスY軸方向の直線上に延出される検出腕部61,62と、検出腕部61,62の先端に形成される各検出腕部より幅の広い略四角形の錘部63,64と、から構成されている。
このように錘部63,64を設ける理由は、後述するY軸回転系の角速度検出において、検出腕60の捩れ振動を効率よく発生させるためである。
At the tips of the
The
The reason why the
振動部41,42,51,52及び検出腕部61,62それぞれの幅方向中央には、厚み方向に凹形状の溝45,46,55,56,65,66が形成されている。
なお、前述の錘部43,44,53,54,63,64、及び溝45,46,55,56,65,66は、圧電振動片10を小型化するために設けられているが、本発明を特に限定するものではない。
A
The
駆動腕40,50は、所定の周波数の駆動振動が発生するように、振動部41,42,51,52の幅や長さ、錘部43,44,53,54の寸法、溝45,46,55,56の寸法が設定されている。また、検出腕60は、所定の検出振動が発生するように、検出腕部61,62の幅や長さ、錘部63,64の寸法、溝65,66の寸法が設定されている。
上述したような形状の圧電振動片10は、一般にWT型圧電振動片と呼称され、小型化及び高精度化に有利であるとされており、検出腕部61,62の幅と錘部63,64の幅との関係以外は、既に提案されているWT型(ダブルT型)の圧電振動片と同様な構成である。
The
The piezoelectric vibrating
なお、駆動腕40,50及び検出腕60にはそれぞれ図示しない駆動電極、検出電極とが形成されている。これら駆動電極及び検出電極は、基部20の裏面から図示しない検出回路、発振回路に接続されている。また、基部20はリードまたはボンディングワイヤを介して基板に接続され、支持される。基板はパッケージ内部に固定される。このような構成とすれば、外部からの衝撃が加わった場合、リードまたはボンディングワイヤが衝撃を吸収するため、ノイズの発生を抑えることができる。また、リードまたはボンディングワイヤを介して駆動電極及び検出電極を駆動回路や検出回路に導通させる構成としても良い。検出回路、発振回路も従来のWT型の角速度センサにて採用されているものと同じ構成である。また、各駆動電極、検出電極は重心位置Gに対して180°点対称に形成されている。
The
続いて、上述した本実施形態の圧電振動片10の動作である、Z軸回転系及びY軸回りの回転系(以降、単にY軸回転系と表すことがある)の振動モードについて説明する。
図2は、本実施形態の圧電振動片の駆動モード(回転が加わらない状態)を模式的に示す説明図、図3はZ軸検出モードを模式的に示す説明図である。図2,3は、振動形態を分かりやすく表現するために、駆動腕40,50及び検出腕60を簡略化して線で表している。図1と同じ構成部分を同じ符号で示し、構造の説明を省略する。
Next, the vibration mode of the Z-axis rotation system and the rotation system around the Y-axis (hereinafter sometimes simply referred to as the Y-axis rotation system), which is the operation of the piezoelectric vibrating
FIG. 2 is an explanatory view schematically showing a drive mode (state in which rotation is not applied) of the piezoelectric vibrating piece of the present embodiment, and FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a Z-axis detection mode. 2 and 3, the
まず、圧電振動片10の駆動モード(回転加速度が加えられていないときの振動モード)について説明する。図2において、駆動振動は、振動部41,42,51,52の矢印Aで示す屈曲振動であって、実線で示す振動姿態と、二点鎖線で示す振動姿態を所定の周波数で繰り返している。このとき、振動部41,42と振動部51,52とがバランス調整され、重心位置Gを通るY軸に対して線対称の振動を行っているので、基部20、第1の連結腕31、第2の連結腕32及び検出腕部61,62はほとんど振動しない。
First, the drive mode (vibration mode when no rotational acceleration is applied) of the piezoelectric vibrating
次に、Z軸回りの回転角速度ωが加えられたときの検出モードについて説明する。図3において、Z軸回転系において、検出振動は、実線で示す振動姿態と、二点鎖線で示す振動姿態を繰り返している。検出振動は、圧電振動片10が図2に示した駆動振動(屈曲振動)を行っている状態で、圧電振動片10にZ軸回りの回転角速度ωが加わったとき、駆動腕40,50に矢印Bで示す方向のコリオリ力が働くことによって発生する。
矢印B方向のコリオリ力が働くことにより、駆動腕40,50は重心位置Gに対して周方向の振動となる。また同時に、検出腕部61,62は、矢印Cに示すように、矢印Bの振動に呼応して矢印Bとは周方向反対向きの屈曲振動を行う。
Next, the detection mode when the rotational angular velocity ω around the Z axis is applied will be described. In FIG. 3, in the Z-axis rotation system, the detected vibration repeats a vibration state indicated by a solid line and a vibration state indicated by a two-dot chain line. The detected vibration is applied to the
Due to the Coriolis force in the direction of arrow B, the driving
圧電振動片10に形成されている駆動電極と検出電極が、基部20に形成された接続電極を経由して、検出回路及び発振回路(共に半導体装置に搭載される)に電気的に接続されている(共に図示せず)。このことにより、圧電振動片10は、発振回路により屈曲振動し、検出腕60から角速度に応じた検出信号を検出回路に出力する。そして、半導体装置により角速度に対応した電気信号を出力する。
Z軸回転系においては、Z軸に垂直なY軸回転系またはX軸回転系の検出感度は無視できる。
The drive electrode and the detection electrode formed on the piezoelectric vibrating
In the Z axis rotation system, the detection sensitivity of the Y axis rotation system or the X axis rotation system perpendicular to the Z axis can be ignored.
続いて、Y軸検出モードについて図面を参照して説明する。
図4〜図6は、Y軸回転系の振動モードを示し、図4は斜視図、図5,6は図4の上方(矢印A方向)から視認した状態を示す上側面図である。駆動腕40,50が屈曲振動している状態においてY軸回りに回転角速度ωが加えられたときに、駆動腕40,50は、図4に示すようにコリオリ力によりX方向の屈曲振動とZ軸方向の屈曲振動とを合成した振動モードで振動する。
つまり、コリオリ力によって、駆動腕40は第1の連結腕31を振動の軸として、また駆動腕50は第2の連結腕32を振動の軸に対してそれぞれが逆位相でZ方向に屈曲振動する。すると、検出腕60には、矢印T方向の捩れ振動が発生する。この捩れ振動を検出することにより角速度に応じた検出信号を検出回路に出力する。そして、半導体装置により角速度に対応した電気信号を出力する。
Next, the Y axis detection mode will be described with reference to the drawings.
4 to 6 show vibration modes of the Y-axis rotation system, FIG. 4 is a perspective view, and FIGS. 5 and 6 are upper side views showing a state viewed from above (in the direction of arrow A) in FIG. When a rotational angular velocity ω is applied around the Y axis in a state in which the
In other words, due to the Coriolis force, the driving
Y軸回転系におけるコリオリ力と捩れ振動(検出振動)との関係について図5,6を参照してさらに詳しく説明する。図5は、駆動腕40,50が、外側方向(図中、矢印+Vで表す)に振動したときを表しており、駆動腕40はコリオリ力Fにより+Z方向に、駆動腕50は−Z方向に変形する。すると、検出腕60は、コリオリ力Fを打ち消す方向(+T方向)に捩れ変形する。
The relationship between Coriolis force and torsional vibration (detected vibration) in the Y-axis rotation system will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 5 illustrates a case where the driving
図6は、駆動腕40,50が、内側方向(図中、矢印−Vで表す)に振動したときを表しており、駆動腕40はコリオリ力Fにより−Z方向に、駆動腕50は+Z方向に振動変形する。すると、検出腕60は、コリオリ力Fを打ち消す方向(−T方向)に捩れ変形する。
このようにして、検出腕60は、コリオリ力Fにより図5,6に示すように捩れ振動を繰り返し、検出信号を出力し、Y軸回転系の角速度を検出することができる。
なお、X軸回転系の場合にはコリオリ力が発生しないので検出腕60に検出信号が出力されない。
FIG. 6 illustrates a case where the driving
In this way, the
In the case of the X-axis rotating system, no detection signal is output to the
以上説明したように、Z軸回転系については検出腕60のX軸方向の屈曲振動を検出信号として検出可能であり、Y軸回転系については検出腕60の捩れ振動を検出信号として検出することができる。
なお、Y軸(+Y軸)側の検出腕とマイナスY軸側の検出腕は、基部20から視認してそれぞれが逆方向に回転振動する。従って、それぞれの検出腕は逆位相の検出信号を出力し、この検出信号を合成することにより、出力は一方の検出腕からの出力の2倍となり、検出感度を高めている。
As described above, the bending vibration in the X-axis direction of the
Note that the detection arm on the Y-axis (+ Y-axis) side and the detection arm on the negative Y-axis side are visually oscillated in the opposite directions when viewed from the
上記のような角速度センサ1を備えたナビゲーション装置が、図11にて前述したような車両に装着された場合、図12に示したように角速度センサが回路基板上に車両の接地面に対する垂直方向の軸108から角度θ°傾けて配置されることになる。
この状態で車両に回転が加わると、図7に示すように各軸に角速度が検出される。
車両の接地面に対する垂直方向の軸108が車両の回転軸となり角速度ωが生じるが、角速度センサは軸108からθ°傾いているため、Z軸およびY軸に角速度ωZ,ωYがかかったようにZ軸の感度出力QZ,Y軸の感度出力QYを検出する。そして、Z軸の感度出力QZ,Y軸の感度出力QYのそれぞれを、軸108方向に分解した感度出力Q1,Q2が得られ、この感度出力Q1,Q2の和が軸108に加わる感度出力Qとなる。このことを数式で表すと下式(1)で表せる。
Q=Q1+Q2=Acosθ+Bsinθ ・・・(1)
ここで、AおよびBは、角速度センサの角速度の検出軸(Z軸,Y軸)と実際に回転が加わる軸(回転軸)との傾き角により感度変化を表す感度比である。
When the navigation apparatus including the angular velocity sensor 1 as described above is mounted on the vehicle as described above with reference to FIG. 11, the angular velocity sensor is perpendicular to the ground plane of the vehicle on the circuit board as shown in FIG. Is inclined from the
When rotation is applied to the vehicle in this state, angular velocities are detected on the respective axes as shown in FIG.
Q = Q1 + Q2 = A cos θ + B sin θ (1)
Here, A and B are sensitivity ratios representing a sensitivity change by an inclination angle between an angular velocity detection axis (Z axis, Y axis) of the angular velocity sensor and an axis (rotation axis) to which rotation is actually applied.
また、本実施形態ではZ軸の検出感度に対してY軸の検出感度を他軸感度と呼び、この他軸感度が15〜55%の範囲内に設定されている。
図8はZ軸と実際の回転軸との傾き角が0°のときの感度出力を100%とし、傾き角が0〜90°における他軸感度0,15,35,55%のときの相対感度を示したグラフである。このグラフから分かるように、他軸感度0%のとき、つまり検出軸がZ軸のみの場合、傾き角が大きくなるに従い相対感度が低下していき、傾き角30°あたりでソフトウェアに基づいた演算処理による補正の限界である相対感度が85%を超え、傾き角40°でおよそ相対感度が77%にまで低下してしまう。
これに対して、他軸感度15%のときは、傾き角が大きくなるに従い相対感度が低下していくが、傾き角40°において相対感度が85%となっている。
また、他軸感度55%のときは、傾き角が約30°までは傾き角が大きくなるにつれ相対感度が増加し、その値はおよそ115%を示している。そして、傾き角40°でおよそ112%の相対感度を有している。
さらに、他軸感度35%では一旦、相対感度が106%程度に増加するが、傾き角40°で100%の相対感度を有している。
In this embodiment, the Y-axis detection sensitivity is referred to as other-axis sensitivity with respect to the Z-axis detection sensitivity, and the other-axis sensitivity is set within a range of 15 to 55%.
FIG. 8 shows that the sensitivity output when the tilt angle between the Z axis and the actual rotation axis is 0 ° is 100%, and the relative output when the other axis sensitivity is 0, 15, 35, and 55% when the tilt angle is 0 to 90 °. It is the graph which showed the sensitivity. As can be seen from this graph, when the other-axis sensitivity is 0%, that is, when the detection axis is only the Z-axis, the relative sensitivity decreases as the tilt angle increases, and calculation based on software at a tilt angle of 30 °. The relative sensitivity, which is the limit of correction by processing, exceeds 85%, and the relative sensitivity decreases to approximately 77% at an inclination angle of 40 °.
On the other hand, when the other-axis sensitivity is 15%, the relative sensitivity decreases as the tilt angle increases, but the relative sensitivity is 85% at the tilt angle of 40 °.
When the other-axis sensitivity is 55%, the relative sensitivity increases as the tilt angle increases until the tilt angle reaches approximately 30 °, and the value indicates approximately 115%. And it has a relative sensitivity of about 112% at an inclination angle of 40 °.
Further, the relative sensitivity once increases to about 106% at the other axis sensitivity of 35%, but has a relative sensitivity of 100% at an inclination angle of 40 °.
このように、他軸感度が15%〜55%の範囲内では、ソフトウェアに基づいた演算処理による補正が可能である範囲である相対感度の変動が±15%内にあり、傾き角0〜40°の間でのソフト補正が可能である。
なお、他軸感度の調整には、Y軸検出振動における離調周波数の調整により行われる。検出周波数を駆動周波数と離して調整することを離調するといい、駆動周波数から検出周波数が離れていくに従い感度が低下する特性を有している。このことを利用して、離調周波数を選ぶことで他軸感度を調整することが可能である。
例えば、Y軸方向2mm、X軸方向1.9mmの圧電振動片としたとき、他軸感度15%の場合、駆動周波数53kHz、Z軸離調周波数1000Hz、Y軸離調周波数1500Hzである。また、他軸感度35%の場合、駆動周波数53kHz、Z軸離調周波数1000Hz、Y軸離調周波数700Hzである。さらに、他軸感度55%の場合、駆動周波数53kHz、Z軸離調周波数1000Hz、Y軸離調周波数400Hzである。
Thus, when the other-axis sensitivity is within a range of 15% to 55%, the relative sensitivity fluctuation, which is a range that can be corrected by a calculation process based on software, is within ± 15%, and the inclination angle is 0 to 40. Soft correction between ° is possible.
The other axis sensitivity is adjusted by adjusting the detuning frequency in the Y axis detection vibration. Adjusting the detection frequency away from the drive frequency is referred to as detuning, and has a characteristic that the sensitivity decreases as the detection frequency moves away from the drive frequency. By utilizing this fact, it is possible to adjust the other axis sensitivity by selecting the detuning frequency.
For example, when the piezoelectric vibrating piece is 2 mm in the Y-axis direction and 1.9 mm in the X-axis direction and the other-axis sensitivity is 15%, the driving frequency is 53 kHz, the Z-axis detuning frequency is 1000 Hz, and the Y-axis detuning frequency is 1500 Hz. Further, when the other-axis sensitivity is 35%, the driving frequency is 53 kHz, the Z-axis detuning frequency is 1000 Hz, and the Y-axis detuning frequency is 700 Hz. Further, when the other-axis sensitivity is 55%, the driving frequency is 53 kHz, the Z-axis detuning frequency is 1000 Hz, and the Y-axis detuning frequency is 400 Hz.
なお、Y軸回転系の離調周波数調整は、錘部63,64(図1、参照)における質量の付加または除去によって行う。ここでは、質量を除去する例をあげ説明する。
錘部63,64の表裏両面には予めAu層を形成しておく。このAu層が付加質量であり、このAu層をレーザを用いて所定の離調周波数になるように除去する。
この際、錘部63,64の幅方向外側端部または内側端部から長手方向に線状に、しかも徐々に内側端部に向かって除去していく。前述したように、Y軸回転系の検出は捩れ振動成分を検出するため、捩れ振動に影響を与えやすい錘部の幅方向外側から質量除去を行えば、効率よく離調周波数調整を行える。
The detuning frequency adjustment of the Y-axis rotation system is performed by adding or removing mass in the
Au layers are formed in advance on both the front and back surfaces of the
At this time, the
また、離調周波数調整を錘部63,64の質量除去にて行う場合には、Au層は狙いの周波数よりも検出離調周波数をマイナス方向になるように形成しておく。
一方、質量付加による検出離調周波数の調整については詳しい説明を省略するが、上述した質量除去の考え方を応用することで可能である。つまり、予め、Y軸離調周波数をプラス側に設定しておき、錘部63,64にスパッタリングや蒸着法により質量を付加すればよい。
Further, when the detuning frequency is adjusted by removing the mass of the
On the other hand, the detailed description of the adjustment of the detected detuning frequency by adding mass is omitted, but it is possible by applying the above-described concept of mass removal. That is, the Y-axis detuning frequency may be set to the plus side in advance, and mass may be added to the
以上のように、いわゆるWT型の角速度センサ1において、ナビゲーション装置などに角速度センサ1が備えられ、装置が傾いた状態で取り付けられることで角速度センサ1の姿勢が傾いても、角速度を検出するZ軸およびY軸からの出力を利用して、実際の回転軸にかかる角速度を検出することができる。このとき、角速度センサ1のZ軸の検出感度に対してY軸の検出感度を15〜55%とすることで、傾き角が40°までにおいては相対感度の変動が±15%内に抑えることができ、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが可能である。また、角速度センサ1において、Z軸の振動成分は屈曲振動であり、Z軸と直交するY軸の振動成分は捩れ振動となり、それぞれの振動モードが異なるため、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行うことができる。
(第2の実施形態)
As described above, in the so-called WT type angular velocity sensor 1, the angular velocity sensor 1 is provided in a navigation device or the like, and the angular velocity sensor 1 is detected even when the angular velocity sensor 1 is tilted by attaching the device in an inclined state. The angular velocity applied to the actual rotation axis can be detected using the output from the axis and the Y axis. At this time, by setting the Y-axis detection sensitivity to 15 to 55% with respect to the Z-axis detection sensitivity of the angular velocity sensor 1, the fluctuation of the relative sensitivity is suppressed within ± 15% until the tilt angle is 40 °. It is possible to correct the output sensitivity resulting from the mounting angle by a calculation process based on software. Further, in the angular velocity sensor 1, the Z-axis vibration component is flexural vibration, and the Y-axis vibration component orthogonal to the Z-axis is torsional vibration, and the respective vibration modes are different. The angular velocity can be detected.
(Second Embodiment)
次に、他の2軸の検出軸を持つ角速度センサについて説明する。
図9は、本発明の実施形態に係る他の角速度センサの構造を示す構成図であり、図9(a)は平面図、図9(b)は同図(a)の側面図である。
図9において、本実施形態の角速度センサ2は圧電振動片70と図示しない検出手段としての検出回路と励振手段としての発振回路とから構成されている。なお、圧電振動片70は、周知の圧電材料にて形成することが可能であるが、本実施形態では水晶振動片を例示する。
Next, another angular velocity sensor having two detection axes will be described.
9A and 9B are configuration diagrams showing the structure of another angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 9A is a plan view, and FIG. 9B is a side view of FIG.
In FIG. 9, the
圧電振動片70はZカットの水晶基板により双音叉形状に形成されている。圧電振動片70には一対のY軸方向に延出されて形成された振動腕部71a,71bと、この振動腕部71a,71bの両端で支持する双音叉支持部72a,72bと、双音叉支持部72a,72bに連結し振動腕部71a,71bの振動を検出する検出部73a,73bと、検出部73a,73bの一端を支持するとともに台座に接着剤などで固定される支持固定部74a,74bとが備えられている。
なお、振動腕部71a,71bには図示しない駆動電極と第2の検出電極が形成され、さらに、検出部73a,73bには第1の検出電極が形成されている。これら駆動電極および検出電極は支持固定部74a,74bまで引き出されて図示しない発振回路、検出回路に接続されている。
The piezoelectric vibrating
A drive electrode and a second detection electrode (not shown) are formed on the vibrating
このような圧電振動片70の動作について説明する。
図10は圧電振動片の各振動モード(駆動モード、Z軸検出モード、Y軸検出モード)を模式的に示す説明図であり、各振動モードにおいて平面図と側面図を示している。
図10(a)は圧電振動片70に回転が加わらない状態の駆動モードにおける振動を示し、振動腕部71a,71bがお互いに左右対称にX軸方向の屈曲振動する。この振動は面内対称屈曲1次振動モードと呼ばれる屈曲振動である。
次に、この駆動モードで振動している圧電振動片70にZ軸回りの回転を与える。例えば、図10(a)において、時計回りの回転が生じると、振動腕部71a,71bがお互い遠ざかる方向に振動しているときには、左側の振動腕部71aに図中下向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部71bには図中上向きのコリオリ力が働く。また、振動腕部71a,71bがお互い近づく方向に振動しているときには、左側の振動腕部71aに図中上向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部71bには図中下向きのコリオリ力が働く。従って、振動腕部71a,71bには図中上下方向(Y軸方向)にすべるようにお互い逆向きにコリオリ力が働くので、振動腕部71a,71bには図10(b)に示すような屈曲振動が生じる。この振動は面内非対称屈曲2次振動モードと呼ばれる屈曲振動である。このとき、この屈曲振動によって、双音叉支持部72a,72bにはそれぞれモーメントが発生し、検出部73a,73bはこれに対応してX軸方向に振動する。
The operation of such a piezoelectric vibrating
FIG. 10 is an explanatory view schematically showing each vibration mode (drive mode, Z-axis detection mode, Y-axis detection mode) of the piezoelectric vibrating piece, and shows a plan view and a side view in each vibration mode.
FIG. 10A shows the vibration in the driving mode in a state where the piezoelectric vibrating
Next, rotation about the Z axis is given to the piezoelectric vibrating
従って、検出部73a,73bのX軸方向の振動に対応して、検出部73a,73bに設けられた検出電極から検出電圧が出力される。
なお、検出信号としてはZ軸回りの角速度ωZに比例した電圧が得られるが、Z軸回りの回転方向が逆になると振動腕部71a,71bのそれぞれに働くコリオリ力の方向が反転し、これに応じて検出信号の極性も反転するので、駆動信号に対する検出信号の位相差を測定しておけば、Z軸に対する回転方向の検出が可能である。
Accordingly, the detection voltage is output from the detection electrodes provided in the
As a detection signal, a voltage proportional to the angular velocity ω Z around the Z axis is obtained, but when the rotation direction around the Z axis is reversed, the direction of the Coriolis force acting on each of the vibrating
次に、駆動モードで振動している圧電振動片2にY軸回りの回転を与える。例えば、図10(a)において、Y軸時計回りに回転が生じると、振動腕部71a,71bがお互いに遠ざかる方向に振動しているときには、左側の振動腕部71aにZ軸方向上向き、すなわち図中紙面を垂直に貫く方向にコリオリ力が働き、右側の振動腕部71bにZ軸方向下向きにコリオリ力が働く。
また、振動腕部71a,71bがお互い近づく方向に振動しているときには、左側の振動腕部71aにZ方向下向きのコリオリ力が働き、右側の振動腕部71bにはZ軸方向上向きのコリオリ力が働く。この結果、図10(c)に示すようなZ軸方向の屈曲振動が生ずる。
Next, rotation about the Y axis is given to the piezoelectric vibrating
Further, when the vibrating
このとき、振動腕部71a,71bに形成された検出電極から検出信号が発生する。これにより、Y軸回りの回転に対応する検出信号が出力される。
なお、検出信号としてはY軸回りの角速度ωrに比例した電圧が得られるが、Y軸回りの回転方向が逆になると振動腕部71a,71bのそれぞれに働くコリオリ力の方向が反転し、これに応じて検出信号の極性も反転するので、駆動信号に対する検出信号の位相差を測定しておけば、Y軸に対する回転方向の検出が可能である。
At this time, detection signals are generated from the detection electrodes formed on the vibrating
As a detection signal, a voltage proportional to the angular velocity ω r around the Y axis is obtained, but when the rotation direction around the Y axis is reversed, the direction of the Coriolis force acting on each of the vibrating
このような双音叉型の角速度センサ2においても、角速度センサ2のZ軸の検出感度に対してY軸の検出感度を15〜55%とすることで、第1の実施形態の図8に示した傾き角と相対感度の関係と同様な関係が得られ、第1の実施形態と同様な効果が得られる。
つまり、いわゆる双音叉型の角速度センサ2において、ナビゲーション装置などに角速度センサ2が備えられ、装置が傾いた状態で取り付けられることで角速度センサ2の姿勢が傾いても、角速度を検出するZ軸およびY軸からの出力を利用して、実際の回転軸にかかる角速度を検出することができる。このとき、角速度センサ2のZ軸の検出感度に対してY軸の検出感度を15〜55%とすることで、傾き角40°までにおいては相対感度を±15%内に抑えることができ、取り付け角度に起因する出力感度をソフトウェアに基づいた演算処理により補正をすることが可能である。
この、いわゆる双音叉型の角速度センサ2において、Z軸の振動成分の検出は検出部73a,73bの屈曲振動の検出であり、Y軸の振動成分の検出は振動腕部71a,71bの屈曲振動の検出である。また、これらの屈曲振動の方向はそれぞれ直交する方向に振動している。このように、本発明に係る角速度センサ2は、角速度を検出する検出部が異なり、また、屈曲振動の方向が異なることから、お互いの検出信号の影響を最少にして角速度の検出を行うことができる。
Also in such a double tuning fork type
That is, in the so-called double tuning fork type
In this so-called double tuning fork type
1,2…角速度センサ、10…圧電振動片、20…基部、40,50…駆動腕、60…検出腕、61,62…検出腕部、63,64…錘部、70…圧電振動片、71a,71b…振動腕部、72a,72b…双音叉支持部、73a,73b…検出部、74a,74b…支持固定部。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
角速度を検出する第1軸および該第1軸と直交する方向に設定された第2軸とを有し、
前記第1軸の検出感度に対して前記第2軸の検出感度を15〜55%としたことを特徴とする角速度センサ。 An angular velocity sensor using vibration of a piezoelectric vibrating piece,
A first axis for detecting an angular velocity and a second axis set in a direction orthogonal to the first axis;
An angular velocity sensor, wherein the detection sensitivity of the second axis is 15 to 55% with respect to the detection sensitivity of the first axis.
角速度の感度出力をQ、前記第1軸と回転のかかる軸の方向との角度をθ、前記第1軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をA、前記第2軸と回転のかかる軸との角度による感度変化の感度比をB、としたとき、
Q=Acosθ+Bsinθ
の式にて感度出力が算出されることを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1,
The angular velocity sensitivity output is Q, the angle between the first axis and the axis of rotation is θ, the sensitivity ratio of the sensitivity change due to the angle between the first axis and the axis of rotation is A, and the second axis. When the sensitivity ratio of the sensitivity change due to the angle with the rotating axis is B,
Q = A cos θ + B sin θ
A sensitivity output is calculated by the following formula.
前記圧電振動片が、基部と、前記基部または前記基部に接続された連結腕から前記第2軸に平行に延出され前記第1軸および第2軸に直交する方向に屈曲振動可能な駆動腕と、前記基部から延出する前記駆動腕に平行な検出腕と、を有し、
前記検出腕における前記第1軸の角速度の検出が屈曲振動の検出で、
前記検出腕における前記第2軸の角速度の検出が捩れ振動の検出であることを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1 or 2,
The piezoelectric vibrating piece extends from the base and a connecting arm connected to the base or the base to be parallel to the second axis and is capable of bending vibration in a direction perpendicular to the first axis and the second axis And a detection arm parallel to the drive arm extending from the base,
Detection of the angular velocity of the first axis in the detection arm is detection of bending vibration,
An angular velocity sensor, wherein the detection of the angular velocity of the second axis in the detection arm is detection of torsional vibration.
前記圧電振動片が、前記第2軸に平行に延出された2本の振動腕部と、前記振動腕部の両端をそれぞれ支持する2つ双音叉支持部と、前記双音叉支持部の近傍に配置される2つの支持固定部と、前記支持固定部と前記双音叉支持部との間をそれぞれ連結し前記第2軸に平行に延出された2つ検出部と、を有し、
前記第1軸の角速度の検出が前記検出部の前記第1軸方向および前記第2軸に直交する方向の屈曲振動の検出であり、
前記第2軸の角速度の検出が前記双音叉支持部の前記第1軸方向の屈曲振動の検出であることを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to claim 1 or 2,
The piezoelectric vibrating piece includes two vibrating arm portions extending in parallel to the second axis, two double tuning fork support portions that respectively support both ends of the vibrating arm portion, and the vicinity of the double tuning fork support portion. Two supporting and fixing portions disposed in the two, and two detecting portions connected between the supporting and fixing portion and the double tuning fork supporting portion and extending in parallel with the second axis,
Detection of the angular velocity of the first axis is detection of bending vibration in the direction perpendicular to the first axis direction and the second axis of the detection unit;
The angular velocity sensor, wherein the detection of the angular velocity of the second axis is detection of bending vibration of the double tuning fork support portion in the first axis direction.
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