JP2009162641A - 同軸上複数ジャイロ及びそのドリフト低減化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズやドリフトの低減を図った同軸上複数ジャイロを提供する。
【解決手段】一対の振動脚３３を有する音叉型の振動子３１と、その振動子３１に設けられ振動脚３３を振動させる振動素子３４と、振動子３３に設けられ振動脚３３の振動を検出して角速度を検出する検出素子３５とを備えたＭＥＭＳ型ジャイロ２を用い、そのＭＥＭＳ型ジャイロ２を同軸方向に複数配置し、それらＭＥＭＳ型ジャイロ２の検出素子３５で検出される各角速度を平均化するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドリフトやノイズを低減した同軸上複数ジャイロ及びそのドリフト低減化方法に関する。

ＭＥＭＳ（Microelectromechanical System）技術は、標準的なマイクロ製造技術を用いてシリコン基板上に電気および機械のコンポーネントを形成することにより、比較的小さく安価で正確なセンサデバイスを作製することができる。ＭＥＭＳセンサの一般的な応用例として、回転の角速度を測定するＭＥＭＳ型ジャイロがある。

ＭＥＭＳ型ジャイロは、振動している振動子に角速度が入力されると、コリオリの力により振動方向と直交方向の振動が発生することを利用するものであり、この振動を電気的に取り出すことによって入力角速度を検知するものである。このようなＭＥＭＳ型ジャイロとして、一対の振動脚を有する音叉型の振動子を備えたものがある。

音叉型の振動子を有するＭＥＭＳ型ジャイロでは、振動脚に設けた振動素子を駆動して各振動脚を振動させる。各振動脚を振動させた状態で振動子に回転を加えると、コリオリの力により振動方向と直交方向の振動が振動脚に発生する。このコリオリの力による振動を各振動脚に設けられた検出素子により電気的に取り出すことによって、角速度を検知する。

このＭＥＭＳ型ジャイロは、振動子の軸方向を中心とした回転の角速度を検出するものである。このため、多軸方向で角速度を検出する際には、一般に、角速度を検出する各軸に対応するようにＭＥＭＳ型ジャイロをそれぞれ配置している。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平７−３０６０４７号公報

しかしながら、音叉型の振動子を有するＭＥＭＳ型ジャイロでは、振動脚が駆動と検出を兼ねており、検出素子は予め振動している。理論上は駆動方向（振動方向）と検出方向とが直交しているため、検出素子が駆動振動を検出することはないのであるが、実際の加工精度ではこの直交度が十分でないため、振動脚を振動素子で振動させると検出方向にも振動してしまい、検出素子が振動素子による駆動振動を検出してしまう。さらに、振動素子と検出素子とが静電容量結合することによっても、検出素子が駆動振動を検出してしまう。つまり、コリオリの力がないにもかかわらず検出素子が振動を検出してしまい、ドリフトが発生してしまう。ここで、ドリフトとは、ＭＥＭＳ型ジャイロが静止している状態での出力の変動量のことをいう。

また、ＭＥＭＳ型ジャイロでは、ＭＥＭＳ型ジャイロ自身（振動素子など）から発生するノイズや、ＭＥＭＳ型ジャイロを搭載した基板からのノイズ（デジタル信号ノイズなど）が発生してしまう。

ＭＥＭＳ型ジャイロで検出した角速度から回転量を求める際には、検出した角速度を積分して回転量を求めるため、ドリフトやノイズなどの小さい誤差であっても、長時間にわたると大きな積算誤差となってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ドリフトやノイズの低減を図った同軸上複数ジャイロ及びそのドリフト低減化方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、一対の振動脚を有する音叉型の振動子と、その振動子に設けられ振動脚を振動させる振動素子と、前記振動子に設けられ前記振動脚の振動を検出して角速度を検出する検出素子とを備えたＭＥＭＳ型ジャイロを用い、そのＭＥＭＳ型ジャイロを振動方向が同じとなるよう同軸方向に複数配置し、それらＭＥＭＳ型ジャイロの前記検出素子で検出される各角速度を平均化するようにした同軸上複数ジャイロである。

請求項２の発明は、前記検出素子から出力された各角速度の符号が全て一致したときのみ各角速度を平均化する請求項１記載の同軸上複数ジャイロである。

請求項３の発明は、前記ＭＥＭＳ型ジャイロが２つからなり、そのＭＥＭＳ型ジャイロを基板の表裏面に同軸になるように配置した請求項１または２記載の同軸上複数ジャイロである。

請求項４の発明は、一対の振動脚を有する音叉型の振動子と、その振動子に設けられ振動脚を振動させる振動素子と、前記振動子に設けられ前記振動脚の振動を検出して角速度を検出する検出素子とを備えたＭＥＭＳ型ジャイロを用い、そのＭＥＭＳ型ジャイロを同軸方向に複数配置し、それらＭＥＭＳ型ジャイロの前記検出素子で検出される各角速度を平均化する同軸上複数ジャイロのドリフト低減化方法である。

請求項５の発明は、前記検出素子から出力された各角速度の符号が全て一致したときのみ各角速度を平均化する請求項４記載の同軸上複数ジャイロのドリフト低減化方法である。

本発明によれば、ドリフトやノイズを低減できる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

本実施形態に係る同軸上複数ジャイロは、例えば、自動車のナビゲーションシステムや、ビデオカメラの手振れ防止装置などに用いるものである。

まず、本発明の好適な第１の実施形態を示す同軸上複数ジャイロに用いるＭＥＭＳ型ジャイロを説明する。

図１（ｃ）に示すように、ＭＥＭＳ型ジャイロ２は、音叉型の振動子３１を備える。振動子３１は、略角柱状の基部３２と、基部３２の一端部に接続された一対の振動脚３３からなる。第１の実施形態では、振動子３１として、シリコンからなるものを用いた。

各振動脚３３の一側面３６には、圧電素子（ピエゾ素子）からなる振動素子３４が設けられる。振動素子３４が設けられた一側面３６と垂直に形成された振動脚３３の表面３７には、圧電素子（ピエゾ素子）からなる検出素子３５が設けられる。振動素子３４には、振動素子３４を駆動するための電源Ｅが接続される。

ＭＥＭＳ型ジャイロは、図３の振動子３１をセラミックなどのパッケージ３８で覆ったものである。

このＭＥＭＳ型ジャイロでは、まず、振動脚３３の側面に設けた振動素子３４を駆動し、各振動脚３３を図示Ｘ軸方向に振動させる。各振動脚３３を振動させた状態で、振動子３１にＹ軸まわりの回転（振動子３１の軸Ａまわりの回転）を加えると、コリオリの力により各振動脚３３にＺ軸方向の振動が生じる。このＺ軸方向の振動を各振動脚３３に設けた検出素子３５の圧電効果により電気信号に変換し、これを角速度信号として出力する。この角速度信号から、ＭＥＭＳ型ジャイロの回転方向および角速度が得られる。

さて、図１（ａ）は、本発明の好適な第１の実施形態を示す同軸上複数ジャイロの概略図である。

図１（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る同軸上複数ジャイロ１は、Ｎ個（Ｎ＝１，２，３，…）のＭＥＭＳ型ジャイロ２を備え、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２を、その振動子３１の軸Ａが一致するように同軸方向に配置したものである。

また、同軸上複数ジャイロ１は、図示しない信号処理回路を備える。信号処理回路は、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２の検出素子３５と接続される。信号処理回路は、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２が出力した角速度信号ω１，ω２，…，ωＮを平均化して平均角速度信号Ω１を求めるものである。

同軸上複数ジャイロ１は、例えば、図２に示すように、ＭＥＭＳ型ジャイロ２をセンサ基板２１の表面に配置した複数のセンサモジュール２２を用い、これらセンサモジュール２２を基板２３上に同軸上に配置して構成するとよい。

センサモジュール２２は、ＭＥＭＳ型ジャイロ２を小型のセンサ基板２１の表面に配置し、センサ基板２１の裏面の下端部（図２では下側）にコネクタ２４を形成したものである。センサ基板２１には、図示しない回路パターンが形成される。

基板２３には、各センサモジュール２２のコネクタ２４と嵌合するＮ個の基板側コネクタが形成される。この基板側コネクタは、センサモジュール２２を配置した際に各センサモジュール２２のＭＥＭＳ型ジャイロ２が同軸上に配置されるように形成される。基板２３には、図示しない回路パターンが形成される。

また、基板２３上には、各センサモジュール２２のＭＥＭＳ型ジャイロ２の角速度信号ω１，ω２，…，ωＮを平均化する信号処理回路が設けられる。

同軸上複数ジャイロ１は、基板２３の各基板側コネクタにセンサモジュール２２のコネクタ２４を嵌め合わせ、基板２３上に各センサモジュール２２を着脱自在に配置して構成される。

次に、第１の実施形態に係る同軸上複数ジャイロのドリフト低減化方法を、同軸上複数ジャイロ１の動作とともに説明する。

同軸上複数ジャイロ１に用いる各ＭＥＭＳ型ジャイロ２では、振動子３１の振動脚３３が駆動と検出を兼ねているために、振動素子３４による駆動振動を検出素子３５が検出してしまい、微弱なドリフトやノイズが発生する。

すなわち、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２が出力する角速度信号ω１，ω２，…，ωＮは、同軸上複数ジャイロ１の回転を検出した角速度に加え、ドリフトやノイズが加算された値となる。

各ＭＥＭＳ型ジャイロ２で発生するドリフトは、図１（ｂ）に示すように、その符号が正と負とをランダムに行き来する。そこで、同軸上複数ジャイロ１では、同軸上に配置された複数のＭＥＭＳ型ジャイロ２を用い、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２で検出した角速度信号ω１，ω２，…，ωＮを信号処理回路に入力し、この信号処理回路で平均角速度信号Ω１を求める。平均角速度信号Ω１は、Ω１＝（Σωｎ）／Ｎで表される。

各ＭＥＭＳ型ジャイロ２で検出した角速度信号ω１，ω２，…，ωＮを平均化することにより、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２で発生したドリフトが相殺され、ドリフトが低減される。また、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２で発生したノイズも平均化されるため、ノイズも低減される。

以上により、ドリフトやノイズが低減された平均角速度信号Ω１が得られる。

第１の実施形態に係る同軸上複数ジャイロ１では、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２を同軸上に複数配置し、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２で検出される角速度信号ω１，ω２，…，ωＮを平均化して平均角速度信号Ω１を求めている。

ドリフトはその符号が正と負とをランダムに行き来するため、複数のＭＥＭＳ型ジャイロ２を用い、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２が検出した角速度信号ω１，ω２，…，ωＮを平均化することにより、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２で発生したドリフトが相殺され、ドリフトの影響を低減することができる。

また、ＭＥＭＳ型ジャイロ２で検出される各角速度信号ω１，ω２，…，ωＮを平均化することにより、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２で発生したノイズも平均化されるため、ノイズの影響も低減することができる。

よって、より正確な角速度を検出でき、この角速度を積分して回転量を求める際にも誤差が大きくならない。

また、１つのＭＥＭＳ型ジャイロの角速度を長時間測定し、これを平均化することでドリフトやノイズの影響を低減することも考えられるが、実際には一定の回転速度でＭＥＭＳ型ジャイロが回転し続ける状況は少なく、特殊な場合でのみしか適用できない。

同軸上複数ジャイロ１では、複数のＭＥＭＳ型ジャイロ２で一斉に同じ角速度を検出し、その平均値をとっているので、短時間の回転であってもドリフトやノイズの影響を低減でき、正確な角速度を検出することができる。

さらに、ＭＥＭＳ型ジャイロ２はコストが安いため、同軸上複数ジャイロ１のように複数のＭＥＭＳ型ジャイロ２を用いても、光ジャイロ（光ファイバジャイロ）に比べてコストを抑えることができる。

また、図２に示すように、複数のセンサモジュール２２を基板２３上に着脱自在に配置した場合、ＭＥＭＳ型ジャイロ２が故障した際に、故障したＭＥＭＳ型ジャイロ２を有するセンサモジュール２２のみを交換でき、同軸上複数ジャイロ１全体を交換する必要がなくなる。

次に、第２の実施形態に係る同軸上複数ジャイロのドリフト低減化方法を説明する。

第２の実施形態に係る同軸上複数ジャイロのドリフト低減化方法では、図３に示すように、各ＭＥＭＳ型ジャイロ２が出力した角速度信号ω１，ω２，…，ωＮの全ての符号が一致するときのみ平均角速度信号Ω２を出力する。

すなわち、各角速度信号ω１，ω２，…，ωＮの全ての符号が正あるいは負であるときのみ、各角速度信号ω１，ω２，…，ωＮを平均化した平均角速度信号Ω２を出力し、角速度信号ω１，ω２，…，ωＮのうち１つでも符号が違うものがあるときはゼロを出力する。

第２の実施形態に係るドリフト低減化方法では、角速度信号ω１，ω２，…，ωＮのうち１つでも符号が違うものがあるときは、これをドリフトあるいはノイズと判断してゼロを出力する。よって、全ての角速度信号ω１，ω２，…，ωＮの符号が一致したとき、すなわち同軸上複数ジャイロ１が回転した際のみ平均角速度信号Ω２を出力させることができる。

これにより、同軸上複数ジャイロ１に回転が加わっていない際に、ドリフトあるいはノイズを同軸上複数ジャイロ１の角速度として出力してしまうのを防ぐことができる。

第３の実施形態に係る同軸上複数ジャイロを説明する。

図４に示すように、第３の実施形態に係る同軸上複数ジャイロ４１は、２つのＭＥＭＳ型ジャイロ２を備え、これらＭＥＭＳ型ジャイロ２を基板４２の表裏面に同軸になるように配置したものである。

同軸上複数ジャイロ４１では、基板４２の表面に配置されたＭＥＭＳ型ジャイロ２で検出した角速度信号ω１と、基板４２の裏面に配置されたＭＥＭＳ型ジャイロ２で検出した角速度信号ω２の符号が逆となるため、平均角速度信号Ω３は、Ω３＝（ω１＋（−ω２））／２となる。

同軸上複数ジャイロ４１では、２つのＭＥＭＳ型ジャイロ２を基板４２の表裏面に配置しているため、省スペース化することができる。

図１（ａ）は本発明の好適な第１の実施形態を示す同軸上複数ジャイロの概略図であり、図１（ｂ）はＭＥＭＳ型ジャイロで発生するドリフトの一例を示す図であり、図１（ｃ）は、ＭＥＭＳ型ジャイロの振動子の概略図である。 第１の実施形態に係る同軸上複数ジャイロの一例を示す概略図である。 第２の実施形態に係るドリフト低減化方法を説明する図である。 第３の実施形態に係る同軸上複数ジャイロの概略図である。

符号の説明

１ 同軸上複数ジャイロ
２ ＭＥＭＳ型ジャイロ
３１ 振動子
３３ 振動脚
３４ 振動素子
３５ 検出素子

Claims (5)

1. 一対の振動脚を有する音叉型の振動子と、その振動子に設けられ振動脚を振動させる振動素子と、前記振動子に設けられ前記振動脚の振動を検出して角速度を検出する検出素子とを備えたＭＥＭＳ型ジャイロを用い、
   そのＭＥＭＳ型ジャイロを同軸方向に複数配置し、それらＭＥＭＳ型ジャイロの前記検出素子で検出される各角速度を平均化するようにしたことを特徴とする同軸上複数ジャイロ。
2. 前記検出素子から出力された各角速度の符号が全て一致したときのみ各角速度を平均化する請求項１記載の同軸上複数ジャイロ。
3. 前記ＭＥＭＳ型ジャイロが２つからなり、そのＭＥＭＳ型ジャイロを基板の表裏面に同軸になるように配置した請求項１または２記載の同軸上複数ジャイロ。
4. 一対の振動脚を有する音叉型の振動子と、その振動子に設けられ振動脚を振動させる振動素子と、前記振動子に設けられ前記振動脚の振動を検出して角速度を検出する検出素子とを備えたＭＥＭＳ型ジャイロを用い、
   そのＭＥＭＳ型ジャイロを同軸方向に複数配置し、それらＭＥＭＳ型ジャイロの前記検出素子で検出される各角速度を平均化することを特徴とする同軸上複数ジャイロのドリフト低減化方法。
5. 前記検出素子から出力された各角速度の符号が全て一致したときのみ各角速度を平均化する請求項４記載の同軸上複数ジャイロのドリフト低減化方法。

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