JP2009293964A

JP2009293964A - 慣性力センサとこれを用いた車両

Info

Publication number: JP2009293964A
Application number: JP2008145309A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Okoshi; 偉生大越; Tomohiro Mitani; 朋弘三谷
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-17

Abstract

【課題】本発明は、車両に搭載された状態においても正確に慣性力の検出をすることができ、外部からの衝撃や振動に対しての特性の悪化を防止し、多軸方向の慣性力の検出も可能にすることができる慣性力センサおよびこれを搭載した車両を提供するものである。
【解決手段】本発明の慣性力センサは、検出することができる角速度の回転軸方向を少なくとも１方向および検出することができる加速度の方向を少なくとも１方向それぞれ有する慣性力検出ユニット７と、前記慣性力検出ユニット７を揺動が可能に保持する防振部材９と、前記防振部材９を介して前記慣性力検出ユニット７を支持するパッケージ１を備え、前記パッケージ１の取り付け基準面１ａに対して前記防振部材９が斜めに傾いているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は角速度および加速度を検出する慣性力センサに関する。

慣性力センサの使用用途の一つとして、車両のナビゲーション装置や、車両の各種制御を行う電子機器に組み込まれる場合がある。そして、特にナビゲーション装置においては、運転者や助手席に座った人が操作し易いように、運転者と助手席との間の前面のパネル部であるセンターコンソールにナビゲーション装置の操作部および表示部が設置されることが多い。そしてセンターコンソール内に設けられたナビゲーション装置は、操作性を考慮して操作面が斜め上を向くように取り付けられることが多い。

ところで、例えば、ナビゲーション装置において、角速度センサは車両の角速度を検出するものであるから、角速度センサが検出しようとする角速度の回転軸、所謂「角速度センサの検出軸」が鉛直方向になるように角速度センサは取り付けられるのが理想である。また、加速度センサは、まずは車両の前後方向の加速度を検出するものであるから、加速度センサが検出しようとする方向、所謂「加速度センサの検出軸」が、車両の進行方向になるように取り付けられるのが理想である。

しかしながら、前述の如く、ナビゲーション装置は斜めに取り付けられるため、ナビゲーション装置に対し、角速度センサの検出軸を直角方向に、そして加速度センサを平行な方向に取り付けたのでは、車両の角速度および加速度を検出する際に検出誤差が生じてしまう。

そこで、この課題を解決する技術として、あらかじめ、角速度センサをナビゲーション装置の中で傾けて取り付け、車両内にナビゲーション装置を取り付けたときに角速度センサの検出軸が鉛直方向になるようにする技術が知られている（特許文献１参照）。

また、角速度センサは外部からの振動や衝撃などの外乱が影響する場合があるため、防振される構成にすることが好ましく、逆に加速度センサは防振されることにより検出しようとする加速度が遮断されてしまうため防振されない構成にすることが好ましいものとして、振動型角速度センサ素子および加速度センサ素子を１つの内装パッケージに入れた構成にして、振動型角速度センサ素子に働くコリオリの力の方向へ内装パッケージが揺動しやすい構成にしつつ、加速度センサ素子の検出軸方向へは揺動できない構成にしたものも知られている（特許文献２参照）。そして特許文献２には内装パッケージの内部で振動型角速度センサ素子と加速度センサ素子をそれぞれ傾けた構成も開示されている（特許文献２の図５および図６参照）。
特開２００３−０２１６４７号公報国際公開第２００６／１３２２７７号パンフレット

上記の特許文献１に記載の技術は、衝撃を吸収する構成が開示されておらず、外部衝撃や外部からの振動などの外乱により測定誤差を生じる恐れがある。

また上記の特許文献２の図５および図６に記載の技術は、振動型角速度センサ素子が検出しようとする検出軸は１方向であり、加速度センサ素子が検出しようとする検出軸も１方向であるが、複数方向の角速度や複数方向の加速度を検出しようとする場合には、揺動可能な方向と揺動不可能な方向の設定からくる構成上の制約が生じてしまう。特に、互いに直角に交わる３軸方向の加速度を検出し、かつ前記３軸のいずれかを回転軸とする角速度を検出する場合には、特許文献２に記載の技術のように角速度センサ素子の検出方向には内装パッケージが揺動し、加速度センサの検出軸方向には内装パッケージが揺動しない、という構成は根本的に成立し得ず、多軸の慣性力の検出の際には、様々な課題が生じるものであった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、車両に搭載された状態においても正確に慣性力の検出をすることができることを根底に置きつつ、外部からの衝撃や振動に対しての特性の悪化を防止し、多軸方向の慣性力の検出も可能にすることができる慣性力センサおよびこれを備えた電子機器が設置された車両を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、検出することができる角速度の回転軸方向を少なくとも１方向および検出することができる加速度の方向を少なくとも１方向それぞれ有する慣性力検出ユニットと、前記慣性力検出ユニットを揺動が可能に保持する防振部材と、前記防振部材を介して前記慣性力検出ユニットを支持するパッケージを備え、前記パッケージの取り付け基準面に対して前記防振部材が斜めに傾いている慣性力センサである。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の慣性力センサを備えた電子機器が設置された車両であって、前記電子機器が水平面に対して傾いて設置され、前記慣性力検出ユニットにおける検出することができる角速度の回転軸方向の少なくとも１つが前記車両の鉛直方向であり、かつ検出することができる加速度の方向の少なくとも１つが前記車両の進行方向である車両である。

本発明の慣性力センサは、防振部材をパッケージの取り付け基準面に対して斜めに傾けているため、使用状態において検出しようとする角速度の回転軸と慣性力センサの角速度の検出軸の方向を一致させ、さらに検出しようとする加速度の方向と慣性力センサの加速度の検出軸とを一致させることができるため、精度の高い慣性力の検出が可能となるという効果を有する。

さらに、防振部材を斜めに傾けて取り付けているので、真っ直ぐに取り付ける場合に比べて防振部材を長く設定することができ、これにより防振部材のバネ定数の設定範囲を広くすることができるため、検出しようとする加速度の周波数範囲では減衰特性が１：１程度になるようにし、角速度を検出する際に影響を与える周波数範囲での減衰特性を大きくすることが可能になる。即ち、防振部材の揺動方向と、加速度の検出軸方向および角速度の検出軸方向とを特定の関係にする方法によるのではなく、検出しようとする加速度の周波数範囲と角速度の検出に悪影響を与える周波数範囲における防振部材による減衰特性を適切に設定することにより、加速度の検出特性を劣化させることなく角速度の検出に悪影響を与える振動や衝撃を遮断することが可能となる。このため、加速度の検出軸方向や角速度の検出軸方向が２つ以上である場合であっても、適切な防振が可能になるという効果を有する。

また、本発明の車両は、上記の慣性力センサを搭載したもので、上記の効果による利益を享受することができるので、例えばカーナビゲーション装置に使用した場合は、より正確な位置検出が可能となり、或いは各種車両制御に使用した場合には、より正確な制御を可能とするという効果を有するものである。

本発明について、一実施の形態を用いて以下に説明をする。

図１は本発明の一実施の形態における慣性力センサの正面断面図であり、図２は同慣性力センサの分解斜視図であり、図３は同慣性力センサを搭載した車両の概念図であり、図４は同慣性センサの防振部材の振動減衰特性図である。

図１および２において、パッケージ１はセラミックからなる内部に空間を有する容器であり、その底面の取り付け基準面１ａはパッケージ１を電子機器のプリント基板（図示せず）に取り付ける際の取り付け面となるものである。中間蓋２はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなり、パッケージ１の上部に設けられ、中央に大きな開口部が設けられた形状を有するものである。蓋３もＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなり、中間蓋２上に設けられ、パッケージ１および中間蓋２とともに内部の空間を密封している。中間蓋２は、セラミックからなるパッケージ１とＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる蓋３を直接接合すると熱膨張係数の差によって発生する熱応力を軽減する機能を有する。このため、中間蓋２は中央部に大きな開口部を備えた形状になっている。また、パッケージ１の内部の空間に配置する素子４が蓋３と干渉しないように蓋３の取り付け高さを調整するように使用してもよい。発生する熱応力が小さくなるようにパッケージ１および蓋３の材質を選択すれば、中間蓋２がない構成にすることもできる。これらのパッケージ１、中間蓋２および蓋３の接続方法としては、例えば溶接がある。

素子４は、角速度および加速度を検出することのできる素子である。この素子４は、角速度を検出する構造物と加速度を検出する構造物とを組み合わせた構成であってもよいし、一つの構造物で角速度と加速度の両方を検出するものであってもよい。スペーサ５は素子４とＩＣ６との間に設けられたものであり、中央部に大きな開口部を備えたものである。このスペーサ５は、素子４がＸ軸方向に振動したとき、素子４がＩＣ６と衝突することを防止する機能を有するものである。また、ＩＣ６で発生する熱が直接素子４に伝わることを防止し、素子４に伝わる熱を緩和する働きをもたせることもできる。

ＩＣ６は素子４を動作させるためのエネルギーや制御の信号を送り、また素子４からの出力信号を受け取る集積回路である。素子４、スペーサ５およびＩＣ６により慣性力検出ユニット７を構成する。積載部８は絶縁フィルムからなり、慣性力検出ユニット７を積載している。防振部材９は導体であり弾性体からなるものであり、慣性力検出ユニット７を揺動可能に支持している。さらに、防振部材９は、ＩＣ６および外部の電気回路（図示せず）と電気的に接続している。パッド１０は防振部材９の端部をパッケージ１に接続するための補強部材である。積載部８、防振部材９およびパッド１０には、ＴＡＢテープを用いることができる。

図中のＸ軸は、検出することができる角速度の回転軸の一つである。また、慣性力検出ユニット７の揺動可能な方向でもある。また、Ｙ軸は、検出することができる加速度の方向の一つである。

次に、上記構成の慣性力センサを搭載した車両の構成について図３を用いて説明をする。

図３において、慣性力センサ１１は電子機器１２に取り付けられ、電子機器１２は車両１３に取り付けられている。また、Ｘ軸は車両１３が水平な位置にあるときの鉛直方向を向いており、Ｙ軸は車両１３の進行方向に向いている。

上記構成により慣性力センサ１１で検出するＸ軸まわりの角速度は、車両１３が曲がる際の角速度、所謂ヨー（ｙａｗ）方向の角速度を検出することになり、また慣性力センサ１１で検出するＹ軸方向の加速度は、車両１３の加減速による加速度を検出することになる。これにより、例えば、電子機器１２がナビゲーション装置の場合には、より正確な車両１３の位置情報を得ることができる。

なお、慣性力センサ１１が検出可能な角速度としては、Ｘ軸まわりの角速度だけでなく、Ｙ軸まわりの角速度も検出できるようにしてもよい。Ｙ軸まわりの角速度は所謂ロール（ｒｏｌｌ）方向の角速度であり、車両１３の左右方向の傾きの検出を可能とし、これにより例えば、車両１３の横転の検出に用いることもできる。また、Ｘ軸まわりの角速度だけでなく、あるいはＸ軸まわりの角速度とＹ軸まわりの角速度に加えてこれらの２軸と直交するＺ軸まわりの角速度を検出するようにしてもよい。Ｚ軸まわりの角速度は所謂ピッチ（ｐｉｔｃｈ）方向の角速度であり、車両１３の前後方向の傾きの検出を可能とし、これにより例えば、加減速に伴う車両１３の傾きの検出に用いることができる。

また、慣性力センサ１１が検出可能な加速度は、Ｙ軸方向の加速度だけでなく、Ｘ軸方向の加速度を検出するようにしてもよい。Ｘ軸方向またはＹ軸方向の加速度の検出が可能になると、重力加速度を利用して車両１３の傾きを検出することができる。また、Ｙ軸方向の加速度だけでなく、あるいはＹ軸方向の加速度とＸ軸方向の加速度に加えてＺ軸方向の加速度の検出をすることができる。Ｚ軸方向の加速度は、車両１３が曲がって運転されているときの遠心力の検出をすることができる。

このように、多軸のまわりの角速度、多軸方向の加速度を検出する場合には、慣性力検出ユニット７への防振機能を如何にするかが問題となる。

本発明の一実施の形態においては、検出しようとする加速度の周波数が、ＤＣ〜数十Ｈｚ、あるいは精々２００Ｈｚまでである。一方、角速度の検出は素子４の一部を振動させて、この状態で角速度が印加されるとコリオリの力が発生することを利用している。振動による素子４のある瞬間の速度をＶ、振動している部分の質量をｍ、印加された角速度をΩとすると、コリオリの力Ｆは、
Ｆ＝２ｍＶΩ
で求められることは知られており、このコリオリの力による素子４の撓みを検出することで、角速度Ωを求めるようにしている。従って、上記式からもわかるように、Ｖの値が非常に重要になり、このＶは素子４を振動させることによる速度であるから、角速度の検出に関しては素子４の振動を安定させて行うことが重要になる。この素子４を振動させる周波数を２０ｋＨｚ以上という高い周波数にし、２００Ｈｚ程度までの低周波数では減衰比がほぼ１：１というように減衰比を小さくして振動や衝撃が減衰されないようにし、一方、２０ｋＨｚ以上の高周波数では減衰比が１／１００以上と非常に大きく減衰するようにして、振動や衝撃が十分小さくなるように減衰するように防振部材９の設定をしている。これにより、検出しようとする加速度は防振部材９が存在するのにも関わらず慣性力検出ユニット７に伝わり、角速度の検出に悪影響を及ぼす２０ｋＨｚ以上の振動あるいは衝撃は防振部材９によってカットすることができる。

このような周波数減衰特性の具体例を図４に示す。

図４の防振部材の振動減衰特性図の横軸は周波数で、縦軸は振動伝達率であり、縦軸と横軸はともに対数目盛りである。図４において加速度検出周波数範囲Ａは周波数が２００Ｈｚ以下の低い周波数範囲であり、ゲインは、ほぼ「１」である。また、角速度駆動周波数範囲Ｂは周波数が２０ｋＨｚ以上の高い周波数範囲であり、ゲインは０．０１以下である。従って、この慣性力センサは、２００Ｈｚ以下の周波数の入力については、防振部材９によって減衰することなく検知することができ、２０ｋＨｚ以上の周波数の入力については防振部材９により大きく減衰される。従って、このような周波数減衰特性を有する慣性力センサ１１を構成すればよい。

ここで、上記の周波数特性は、慣性力検出ユニット７の質量と防振部材９のバネ定数などに影響を受けるものであり、防振部材９のバネ定数は、防振部材９を構成する材料の弾性係数と防振部材９の幅、厚み、長さの影響を受けるものである。ここで、防振部材９のバネ定数を小さくしようとする場合においては、防振部材９の幅を小さくするか、厚みを薄くするか、長さを長くするか、弾性係数を小さくする方法がある。これらの内、幅を小さくするあるいは厚みを薄くする方法は、場合によっては防振部材９の強度不足を招く。これに対し、長さを長くする方法はこのような心配がない。一方、バネ定数を大きくしようとする場合においては、防振部材９の幅を大きくするか、厚みを厚くするか、長さを短くするか、弾性係数を大きくする方法があり、この内、幅を大きくする方法と厚みを厚くする方法は強度不足を招くものではなく、むしろ、強度的には有利になるものである。なお、幅を大きくする場合には、場所的な制約が生じるが、通常は、厚みはそのような制約がなく、また厚みは３乗でバネ定数に寄与してくることから、厚みを適切に設定することによりバネ定数を大きくすることができる。以上の点から、防振部材９の長さを長く取れる構成にすると、バネ定数の調整可能範囲が広くなるので、慣性力検出ユニット７および防振部材９からなる振動系の共振周波数の調整範囲も広くなり、これにより、加速度を検出する周波数範囲における防振部材９の減衰係数を約１：１にし、角速度の検出に悪影響を与える周波数範囲の減衰係数を大きくすることが可能となる。

本発明の慣性力センサおよび車両は、慣性力の検出精度を高くすることができるもので、加速度と角速度の検出を行う慣性力センサや、これを搭載した車両に適用して有用となるものである。

本発明の一実施の形態における慣性力センサの正面断面図同慣性力センサの分解斜視図同慣性力センサを搭載した車両の概念図同慣性力センサの防振部材の振動減衰特性図

符号の説明

１パッケージ
１ａ取り付け基準面
７慣性力検出ユニット
９防振部材
１１慣性力センサ
１２電子機器
１３車両

Claims

検出することができる角速度の回転軸方向を少なくとも１方向および検出することができる加速度の方向を少なくとも１方向それぞれ有する慣性力検出ユニットと、
前記慣性力検出ユニットを揺動が可能に保持する防振部材と、
前記防振部材を介して前記慣性力検出ユニットを支持するパッケージを備え、
前記パッケージの取り付け基準面に対して前記防振部材が斜めに傾いている慣性力センサ。
請求項１記載の慣性力センサを備えた電子機器が設置された車両であって、前記電子機器が水平面に対して傾いて設置され、前記慣性力検出ユニットにおける検出することができる角速度の回転軸方向の少なくとも１つが前記車両の鉛直方向であり、かつ検出することができる加速度の方向の少なくとも１つが前記車両の進行方向である車両。