JP2009186213A - ジャイロセンサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】複数のジャイロセンサを備える場合でも、構造の複雑化を招くことなくビートノイズの除去が容易なジャイロセンサユニットを提供する。
【解決手段】ジャイロセンサユニットが備える複数のジャイロセンサのうち少なくとも一方のジャイロセンサ１３は、調整用可動電極３９および調整用固定電極４２を有している。調整用固定電極４２に印加する電圧を変化させることにより、ジャイロセンサ１３の振動子１５および１６に加わる力は、調整用可動電極３９と調整用固定電極４２との間に印加される電圧に応じて変化する。そのため、ＭＥＭＳにより二つ以上のジャイロセンサをセンサ基板１１上に同一の設計で形成する場合でも、各ジャイロセンサ間の駆動周波数は変化する。その結果、ジャイロセンサ１３とジャイロセンサ１４との間の駆動周波数の差は、その差に起因するビートノイズをローパスフィルタ２３ａ、２３ｂで除去可能な程度まで拡大する。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加された角速度を検出するジャイロセンサユニットに関する。

特許文献１のジャイロセンサは、振動子に可動電極を設け、この可動電極と対向する固定電極との間の距離の変化に基づいて振動子に印加される角速度を検出している。また、特許文献１では、一つのジャイロセンサは、二つの振動子を有している。ところで、ジャイロセンサは、半導体製造技術を利用するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical SＹstems）として形成されている。このようなジャイロセンサは、設計上の所望の駆動周波数に対して、製造工程上の誤差により駆動周波数にばらつきを含んでいる。
特開２００６−７１３３５号公報

しかしながら、ジャイロセンサユニットの冗長性を高めるために、二つのジャイロセンサを用いることがある。この場合、二つのジャイロセンサの駆動周波数が近似しているとき、第１のジャイロセンサの駆動による振動が第２のジャイロセンサに伝達され、また第２のジャイロセンサの駆動による振動が第１のジャイロセンサに伝達され、互いのジャイロセンサの動作に影響を及ぼす可能性がある。具体的には、各ジャイロセンサの駆動周波数の差分に相当する周波数成分が、ジャイロセンサの出力信号に各々ビートノイズとして重畳され、その結果としてジャイロセンサユニットの出力信号にもビートノイズが重畳されて出力される。例えば、二つのジャイロセンサの一方の駆動周波数が１ｋＨｚであり、他方の駆動周波数が１．００１ｋＨｚであるとき、ジャイロセンサユニットの出力値にはその共振周波数の差分である１Ｈｚがビートノイズとして含まれる。このような数Ｈｚ程度のビートノイズは、ローパスフィルタによる除去が困難である。特許文献１の場合、ビートノイズ対策ではないものの、フィードバック制御により振動子の駆動周波数を調整している。しかし、フィードバック制御を実施する場合、例えば複雑なフィードバック回路などを必要とし、回路構造などの複雑化を招くという問題がある。

そこで、本発明の目的は、複数のジャイロセンサを備える場合でも、構造の複雑化を招くことなくビートノイズの除去が容易なジャイロセンサユニットを提供することにある。

請求項１記載の発明では、複数のジャイロセンサの少なくとも一方の駆動周波数を電気的に変更している。例えばジャイロセンサの振動子に印加する電圧などを変化させることにより、振動子の駆動周波数を変化させる。これにより、複数のジャイロセンサの駆動周波数は変化する。そのため、複数のジャイロセンサの共振周波数の差分は拡大する。その結果、共振周波数の差分に対応するビートノイズは、ローパスフィルタによって容易に除去される。したがって、複数のジャイロセンサを備える場合でも、構造の複雑化を招くことなくビートノイズの除去を容易にすることができる。ところで、複数のジャイロセンサの駆動周波数を変更し、共振周波数の差分を拡大させることも考えられる。しかし、この場合、ジャイロセンサごとに個別に設計が必要となり、冗長性の確保に複雑な制御が必要になるとともに、製造工程および構造の複雑化を招く。請求項１記載の発明の場合、同一設計の複数のジャイロセンサを用いることができるので、制御が容易になり、製造工程および構造も簡略化することができる。

請求項２または３記載の発明では、駆動周波数変更手段は回路基板に複数のパッド電極を有している。パッド電極には、ジャイロセンサの駆動周波数を変更するための調整電圧が印加されている。この複数のパッド電極に異なる調整電圧を印加することにより、いずれかのパッド電極と振動子電極とを電気配線部で接続することにより、振動子に印加される調整電圧が変化する。その結果、振動子の駆動周波数が変化する。したがって、簡単な構造でジャイロセンサの駆動周波数を変更することができる。

請求項４記載の発明では、駆動周波数変更手段は回路基板に記憶部を有している。記憶部は、ジャイロセンサの駆動周波数を変更するための調整電圧を記憶している。記憶部に記憶されている調整電圧に基づいて、ジャイロセンサに要求される駆動周波数を変更することにより、振動子に印加される調整電圧が変化する。その結果、振動子の駆動周波数が変化する。したがって、簡単な構造でジャイロセンサの駆動周波数を変更することができる。
請求項５記載の発明では、調整電圧は直流である。そのため、振動子の駆動周波数は、電圧に応じて変化する。したがって、振動子の駆動周波数を容易かつ精密に変更することができる。

以下、本発明によるジャイロセンサユニットの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるジャイロセンサユニットを図２に示す。
ジャイロセンサユニット１０は、センサ基板１１および回路基板１２を備えている。センサ基板１１は、二つのジャイロセンサ１３、１４を有している。ジャイロセンサ１３は二つの振動子１５、１６を有しており、ジャイロセンサ１４は二つの振動子１７、１８を有している。回路基板１２は、処理部２１、電圧印加部２２およびローパスフィルタ２３ａ、２３ｂを有している。処理部２１は、電圧印加部２２を経由してジャイロセンサ１３、１４の各電極に印加する電圧を制御する。また、処理部２１は、ジャイロセンサ１３、１４から出力された検出信号から角速度信号を生成し、外部へ出力する。ローパスフィルタ２３ａはジャイロセンサ１３で出力される検出信号に含まれる高周波成分を除去し、ローパスフィルタ２３ｂはジャイロセンサ１４から出力される検出信号に含まれる高周波成分を除去する。第１実施形態の場合、ジャイロセンサ１３、１４が搭載されたセンサ基板１１は、回路基板１２上に一体に設けられている。なお、センサ基板１１と回路基板１２とは、別体に形成してもよい。

ジャイロセンサ１３は、図１に示すように一対の振動子１５、１６を有している。ジャイロセンサ１３とジャイロセンサ１４とは、同一の構造である。そのため、ここでは、ジャイロセンサ１３について詳細に説明する。また、ジャイロセンサ１３が有している二つの振動子１５、１６は、各構成が同一である。そのため、図１では、振動子１５について説明し、振動子１６については振動子１５と同一の部位に同一の符号を付している。さらに、振動子１７、１８についても、構造は振動子１５と同一である。

振動子１５は、略矩形状の振動子本体３１を有している。略矩形状の振動子本体３１の一対の辺部からは、駆動用可動電極３２が突出している。振動子１５から突出する駆動用可動電極３２は、それぞれ駆動用固定電極３３に対向している。駆動用固定電極３３は、駆動用可動電極３２に対向して設けられ、センサ基板１１に固定されている。第１実施形態の場合、駆動用可動電極３２および駆動用固定電極３３は、櫛歯状の電極として形成されている。これにより、駆動用可動電極３２と駆動用固定電極３３とは、互いに噛み合った状態となっている。

振動子１５は、他の一対の辺部側にそれぞれ検出部３４を有している。すなわち、矩形状の振動子本体３１は、図１におけるＸ軸方向の端部から駆動用可動電極３２が突出するとともに、図１におけるＹ軸方向の端部が検出部３４に接続している。検出部３４は、駆動梁３５を経由して振動子本体３１に接続している。また、検出部３４は、検出梁３６を経由して柱部３７に支持されている。駆動梁３５および検出梁３６は、いずれも弾性変形可能である。これにより、振動子本体３１および検出部３４から構成される振動子１５は、検出梁３６を挟んで柱部３７によって振動可能に支持されている。また、振動子本体３１と検出部３４との間は、駆動梁３５によって振動可能に支持されている。その結果、振動子本体３１は、図１のＸ軸方向および図１のＹ軸方向へ振動可能であり、検出部３４はＹ軸方向に可動である。また、振動子本体３２も、振動子本体３１と同様に図１のＸ軸方向および図１のＹ軸方向へ振動可能であり、検出部３４はＹ軸方向に可動である。
また、駆動用可動電極３２のうち最も外側に位置するものは、調整用可動電極３９である。この調整用可動電極３９には、調整用固定電極４２が対向して配置されている。この調整用固定電極４２は、柱部４５を経由して、後述の調整電圧印加部２６と電気的に接続されている。

検出部３４は、検出用可動電極３８および振動子電極としての調整用可動電極３９を有している。検出部３４は、内側に検出用可動電極３８が設けられ、外側に調整用可動電極３９が設けられている。検出用可動電極３８は、検出用固定電極４１と対向している。検出用可動電極３８および検出用固定電極４１は、いずれも櫛歯状に形成され、互いに噛み合っている。
振動子１５を構成する振動子本体３１および検出部３４は、柱部３７から電圧が印加される。振動子本体３１、検出部３４、駆動梁３５および検出梁３６は、いずれも導電性の材料で形成されている。そのため、駆動用可動電極３２、検出用可動電極３８および調整用可動電極３９は、均一な電位となる。

図２に示す電圧印加部２２は、駆動電圧印加部２４、検出電圧印加部２５および調整電圧印加部２６を有している。駆動電圧印加部２４は、図１に示す柱部４３を経由して駆動用固定電極３３に接続している。また、検出電圧印加部２５は柱部４４を経由して検出用固定電極４１に接続している。電圧印加部２２の駆動電圧印加部２４、検出電圧印加部２５または調整電圧印加部２６は、それぞれ駆動用固定電極３３、検出用固定電極４１または調整用固定電極４２に印加する電圧を個別に制御する。その結果、駆動用可動電極３２と駆動用固定電極３３との間、検出用可動電極３８と検出用固定電極４１との間、および調整用可動電極３９と調整用固定電極４２との間には、それぞれ電位差が形成される。

駆動電圧印加部２４は、柱部４３を経由して駆動用固定電極３３に交流電圧を印加する。これにより、駆動用可動電極３２と駆動用固定電極３３との間に生じる静電力は、交流電圧の周波数に対応して変化する。そのため、振動子本体３１は、一方向すなわち図１のＸ軸方向へ振動する。一方、検出電圧印加部２５は、柱部４４を経由して検出用固定電極４１に一定の直流電圧を印加する。そのため、振動子１５にコリオリ力が加わると、噛み合っている検出用可動電極３８と検出用固定電極４１との間の静電力は変化する。処理部２１は、この静電力の変化を検出することにより、ジャイロセンサ１３に加わった角速度を検出し、角速度信号として外部へ出力する。

調整電圧印加部２６は、柱部４５を経由して調整用固定電極４２に一定の電圧すなわち直流電圧を印加可能である。そのため、調整用可動電極３９と調整用固定電極４２との間に電圧が印加されたとき、調整用可動電極３９と調整用固定電極４２との間には静電力が生じる。調整用可動電極３９と調整用固定電極４２との間に静電力が生じると、生じた静電力により振動子本体３１の振動は変化する。すなわち、調整用可動電極３９と調整用固定電極４２との間に生じる静電力によって、振動子本体３１の振動は制限または促進される。その結果、調整電圧印加部２６から調整用固定電極４２へ印加する電圧を変化させることにより、調整用固定電極３３に印加する電圧および周波数が変化しなくても、振動子１５に固有の駆動周波数は変化する。

ジャイロセンサ１３は、調整用可動電極３９および調整用固定電極４２を除きジャイロセンサ１４と同一の構成である。すなわち、第１実施形態の場合、ジャイロセンサ１４は、調整用可動電極３９および調整用固定電極４２を有していない。なお、ジャイロセンサ１３だけでなくジャイロセンサ１４にも調整用可動電極３９および調整用固定電極４２を設けてもよい。

次に、駆動周波数変更手段について説明する。
上述のように、ジャイロセンサ１３の調整用固定電極４２に印加する電圧を変化させることにより、駆動用固定電極３３に印加する電圧および周波数が一定でも、振動子１５および振動子１６の駆動周波数は変化する。第１実施形態の場合、調整電圧印加部２６は、図３に示すように二つの電圧印加用のパッド５１、５２を有している。図３では、説明の簡単のために調整電圧印加部２６に二つのパッド５１、５２を設ける例について説明したが、三つ以上の電圧印加用のパッドを設けてもよい。これらの二つの電圧印加用のパッド５１、５２は、それぞれ異なる電圧Ｖ１または電圧Ｖ２が印加される。すなわち、パッド５１には電圧Ｖ１が印加され、パッド５２には電圧Ｖ２が印加される。そして、これらのパッド５１、５２のうちいずれか一方は、柱部４５との間が電気配線部としてのボンディングワイヤ５３によって電気的に接続されている。これにより、ボンディングワイヤ５３によってパッド５１と柱部４５とを接続したとき、調整用固定電極４２は電圧Ｖ１が印加される。これに対し、ボンディングワイヤ５３によってパッド５２と柱部４５とを接続したとき、調整用固定電極４２は電圧Ｖ２が印加される。
このように、第１実施形態では、異なる電圧が印加されているパッド５１またはパッド５２と柱部４５とをボンディングワイヤ５３で接続することにより、調整用固定電極４２に印加する電圧は変化する。その結果、駆動用固定電極３３に印加する電圧および周波数に変化がなくても、ジャイロセンサ１３の振動子１５、１６の駆動周波数は変化する。

第１実施形態のように同一のセンサ基板１１に二つのジャイロセンサ１３、１４を設ける場合、二つのジャイロセンサ１３、１４の特性は近似する。すなわち、二つのジャイロセンサ１３、１４の駆動周波数は近似する。一方、二つのジャイロセンサ１３、１４の駆動周波数は、例えば一方が１ｋＨｚであり、他方が１．００１ｋＨｚである場合のように個体差によってわずかに異なり厳密に一致しない。このように、二つのジャイロセンサ１３、１４の駆動周波数が近似するものの同一でないとき、ジャイロセンサ１３、１４の出力値にはその共振周波数の差分である１Ｈｚがビートノイズとして含まれる。この数Ｈｚ程度のビートノイズは、ローパスフィルタ２３ａ、２３ｂによる除去が困難である。また、ローパスフィルタ２３ａ、２３ｂによるビートノイズの除去を図るために、二つのジャイロセンサ１３、１４の駆動周波数を変更すると、例えば振動子１５、１６、１７、１８の設計、電圧印加部２２による電圧の制御、あるいは処理部２１による信号の処理などが複雑化する。

第１実施形態の場合、調整電圧印加部２６に異なる電圧が印加された複数のパッド５１、５２を設け、そのいずれかのパッドと調整用固定電極４２とを電気的に接続することにより、調整用可動電極３９と調整用固定電極４２との間に加わる静電力は変化する。このとき、二つのジャイロセンサ１３、１４のうち一方のジャイロセンサ１３に印加する電圧を変更することにより、ジャイロセンサ１３とジャイロセンサ１４との間の駆動周波数の差分は拡大する。出力される信号に含まれるビートノイズを低減するためにジャイロセンサ１３とジャイロセンサ１４との間に確保すべき駆動周波数の差は、例えばローパスフィルタ２３ａ、２３ｂの周波数特性や信号のゲイン量などに依存するものの、概ね数十Ｈｚ程度あればよい。すなわち、ジャイロセンサ１３とジャイロセンサ１４との間の駆動周波数の差が数十Ｈｚ程度あれば、駆動周波数の差に起因するビートノイズはローパスフィルタ２３ａ、２３ｂによって除去される。

以上説明したように、本発明の第１実施形態では、調整用固定電極４２に印加する電圧を変化させている。これにより、ＭＥＭＳによりジャイロセンサ１３およびジャイロセンサ１４をセンサ基板１１上に同一の設計で形成する場合でも、ジャイロセンサ１３とジャイロセンサ１４との間の駆動周波数は変化する。そのため、ジャイロセンサ１３とジャイロセンサ１４との間の駆動周波数の差は、その差に起因するビートノイズをローパスフィルタ２３ａ、２３ｂで除去可能な程度まで拡大する。したがって、構造や処理の複雑化を招くことなくビートノイズをローパスフィルタ２３ａ、２３ｂで容易に除去することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態によるジャイロセンサユニットの要部を図４に示す。
第２実施形態では、図４に示すように調整電圧印加部２６の構成が第１実施形態と異なる。調整電圧印加部２６は、記憶部６１を有している。記憶部６１は、例えば回路基板１２に形成されたＥＰＲＯＭなどを有している。記憶部６１は、調整用固定電極４２に印加する調整用の電圧を複数記憶している。記憶部６１は、調整用の電圧を二つ以上記憶していることが望ましい。処理部２１は、記憶部６１に記憶している複数の調整用の電圧からジャイロセンサ１３とジャイロセンサ１４との間に所定の駆動周波数の差が生じる電圧を選択し、パッド６２に印加する。パッド６２は、電気配線部としてのボンディングワイヤ６３によって柱部４５と電気的に接続している。これにより、調整用固定電極４２は、ボンディングワイヤ６３を経由してパッド６２と電気的に接続されている。処理部２１は、選択した調整用の電圧をパッド６２からボンディングワイヤ６３を経由して調整用固定電極４２に印加する。
第２実施形態では、記憶部に記憶した調整用の電圧に基づいて調整用固定電極４２に印加する電圧を変化させている。したがって、簡単な構造でジャイロセンサ１３の駆動周波数を変更することができる。

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態では、駆動梁３５を挟んで振動子本体３１と一体の検出部３４に調整用可動電極３９を設け、振動子本体３１の振動方向と同一方向に静電力を加える例について説明した。しかし、調整用可動電極３９は、検出部３４に限らず振動子本体３１に設けてもよい。また、静電力を加える方向は、振動子本体３１の振動方向と同一方向に限らず、検出方向と同一であってもよく、振動子１５、１６の振動を制限または促進可能であれば任意に方向に静電力を加える構成とすることができる。また、複数の実施形態では、ジャイロセンサ１３、１４がそれぞれ二つの振動子を有する例について説明した。しかし、各ジャイロセンサ１３、１４に設けられる振動子は、二つに限らず、一つまたは三つ以上であってもよい。さらに、ジャイロセンサユニット１０は、二つのジャイロセンサ１３、１４に限らず、二つ以上の振動子を有する三つ以上のジャイロセンサを備えていてもよい。

ところで、ジャイロセンサ１３、１４は、個体差によって振動子１５、１６、１７、１８の駆動周波数が設計範囲を超える場合がある。すなわち、駆動用固定電極３３に印加する電圧および周波数が所定値であっても、各振動子１５、１６、１７、１８の駆動周波数が過大あるいは過小になる場合がある。このような場合に対処するために、ジャイロセンサ１３およびジャイロセンサ１４の双方に調整用可動電極３９および調整用固定電極４２を設け、振動子１５、１６、１７、１８の駆動周波数が設計範囲の上限または下限を超えるとき、調整用固定電極４２に電圧を印加して振動子１５、１６、１７、１８の駆動周波数を設計範囲内に収束させる構成としてもよい。
また、ジャイロセンサ１３の出力信号、およびジャイロセンサ１４の出力信号にそれぞれビートノイズが印加されている場合、ジャイロセンサ１３の出力信号とジャイロセンサ１４の出力信号同士を加算もしくは減算することで、ノイズの除去を行ってもよい。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本発明の第１実施形態によるジャイロセンサユニットにおいて、一方のジャイロセンサの平面視を示す模式図 本発明の第１実施形態によるジャイロセンサユニットの構成を示すブロック図 本発明の第１実施形態によるジャイロセンサユニットにおいて、一方のジャイロセンサの要部を示す模式図 本発明の第２実施形態によるジャイロセンサユニットにおいて、一方のジャイロセンサの要部を示す模式図

符号の説明

図面中、１０はジャイロセンサユニット、１１はセンサ基板、１２は回路基板、１３、１４はジャイロセンサ、１５、１６、１７、１８は振動子、２１は処理部（駆動周波数変更手段）、２６は調整電圧印加部（駆動周波数変更手段）、３９は調整用可動電極（振動子電極）、５１、５２、６２はパッド（駆動周波数変更手段）、５３、６３はボンディングワイヤ（駆動周波数変更手段、電気配線部）、６１は記憶部（駆動周波数変更手段）を示す。

Claims (5)

1. 振動子を有するジャイロセンサと、
   前記ジャイロセンサが複数設けられているセンサ基板と、
   前記複数のジャイロセンサに印加する駆動電圧を調整する回路基板と、
   前記複数のジャイロセンサの共振周波数を調整するために、前記複数のジャイロセンサのうち少なくとも一方の駆動周波数を電気的に変更する駆動周波数変更手段と、
   を備えることを特徴とするジャイロセンサユニット。
2. 前記振動子は、駆動周波数を調整するための振動子電極を有し、
   前記駆動周波数変更手段は、前記回路基板に設けられ前記ジャイロセンサの駆動周波数を変更するための調整電圧が印加されている複数のパッド電極と、前記パッド電極のいずれか一つと前記振動子電極とを電気的に接続する電気配線部と、を有することを特徴とする請求項１記載のジャイロセンサユニット。
3. 前記パッド電極には、それぞれ異なる電圧が印加されていることを特徴とする請求項２記載のジャイロセンサユニット。
4. 前記振動子は、駆動周波数を調整するための振動子電極を有し、
   前記駆動周波数変更手段は、前記回路基板に設けられ前記ジャイロセンサの駆動周波数を変更するための複数の調整電圧を記憶している記憶部と、前記記憶部に記憶された調整電圧のいずれか一つを前記振動子電極に印加する電気配線部と、を有することを特徴とする請求項１記載のジャイロセンサユニット。
5. 前記調整電圧は、直流であることを特徴とする請求項２、３または４記載のジャイロセンサユニット。

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