JP2010286329A - ２軸検出角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の２軸検出角速度センサは、質量部の質量バランスが取れていない場合であっても、質量部をＸ軸方向にのみ駆動させることが可能な２軸検出角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】コリオリ力を受けずに第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９に発生する擬似歪を検出回路５０で検出して、この擬似歪を相殺する方向に前記質量部２１を駆動させるように前記補正駆動手段を制御する補正回路５１を設ける構成としたものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、特に、Ｙ軸およびＺ軸の２軸方向の角速度を検出することが可能な２軸検出角速度センサに関するものである。

従来のこの種の多軸検出角速度センサは、図１０、図１１に示すように構成されていた。

図１０は従来の多軸検出角速度センサの側断面図、図１１は同多軸検出角速度センサの上面図である。

図１０、図１１において、１はＳｉからなる直方体形状の質量部である。そして、この質量部１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数が略同一になるように構成されている。２は内周および外周が８角形状をなし、かつその全周にわたって延出されたＳｉからなる支持部材で、この支持部材２は、前記質量部１を外方全周から支持するとともに、上面に複数のＰＺＴからなる外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４を設けている。また、支持部材２の上面には、前記外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４の間に位置して、外側検出圧電体５および内側検出圧電体６を設けている。７はＳｉからなる四角形筒状の枠体で、この枠体７は前記支持部材２を一体に支持している。

以上のように構成された従来の２軸検出角速度センサについて、次に、その動作を説明する。

支持部材２における外側駆動圧電体３および内側駆動圧電体４に、Ｚ軸方向とＹ軸方向の位相差が９０度である交流電圧を印加すると、質量部１がＺ軸方向およびＹ軸方向の位相差が９０度になるように円形状の振動駆動をする。そして、その状態において、質量部１のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸周りに角速度が発生すると、質量部１が振動駆動する方向および角速度が発生する方向の両者と垂直な方向にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力により外側検出圧電体５および内側検出圧電体６から発生する電荷をＩＶ変換した後、同期検波することにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の角速度を検出するものであった。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平８−１４５６８３号公報

しかしながら、上記した従来の構成では、質量部１の質量バランスが取れていない場合には、質量部１をＸ軸方向にのみ駆動させようとしても、Ｙ軸方向にも移動するため、Ｚ軸方向周りの角速度が発生していない状態であっても、あたかもＺ軸方向周りの角速度を検出しているような出力信号が発生してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、質量部の質量バランスが取れていない場合であっても、質量部をＸ軸方向にのみ駆動させることが可能な２軸検出角速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも１つの駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＸ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部にＹ軸方向またはＺ軸方向周りに付加される角速度により、支持部材における検出圧電体にコリオリ力により発生する出力信号を検出する検出回路と、前記質量部をコリオリ力を受けて歪む方向に駆動させる補正駆動手段とを備え、コリオリ力を受けずに支持部材に発生する擬似歪を検出回路で検出して、この擬似歪を相殺する方向に前記質量部を駆動させるように前記補正駆動手段を制御する補正回路を設けたもので、この構成によれば、擬似歪を相殺する方向に前記質量部を駆動させるように前記補正駆動手段を制御する補正回路を設けたため、質量部の質量バランスが取れていない場合であっても、質量部をＸ軸方向にのみ駆動させることができることとなり、これにより、質量部の駆動により、Ｙ軸方向に移動することがないから、Ｚ軸方向周りの角速度が発生していない状態において、あたかもＺ軸方向周りの角速度が発生しているような出力信号が生じることを防止できるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、補正駆動手段を、支持部材におけるＹ軸方向に設けた補正圧電体により構成したもので、この構成によれば、補正駆動手段を、支持部材におけるＹ軸方向に設けた補正圧電体により構成したため、Ｘ軸方向の駆動により、質量部がＹ軸方向に移動することを容易に防止できるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、補正回路に記憶手段を設け、この記憶手段に駆動回路におけるＡＧＣ回路の増幅率を減衰させる補正定数を格納し、駆動回路からの出力信号の位相を９０度遅延させた出力信号に前記ＡＧＣ回路の増幅率を減衰させた信号を乗算して補正圧電体に入力する構成としたもので、この構成によれば、駆動回路からの出力信号の位相を９０度遅延させた出力信号に前記ＡＧＣ回路の増幅率を減衰させた信号を乗算して補正圧電体に入力する構成としたため、常時、駆動信号の変化に応じて擬似歪を相殺する方向に質量部を駆動させることができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の２軸検出角速度センサは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも１つの駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＸ軸方向に振動駆動する駆動回路と、前記質量部にＹ軸方向またはＺ軸方向周りに付加される角速度により、支持部材における検出圧電体にコリオリ力により発生する出力信号を検出する検出回路と、前記質量部をコリオリ力を受けて歪む方向に駆動させる補正駆動手段とを備え、コリオリ力を受けずに支持部材に発生する擬似歪を検出回路で検出して、この擬似歪を相殺する方向に前記質量部を駆動させるように前記補正駆動手段を制御する補正回路を設けたもので、この構成によれば、擬似歪を相殺する方向に前記質量部を駆動させるように前記補正駆動手段を制御する補正回路を設けたため、質量部の質量バランスが取れていない場合であっても、質量部をＸ軸方向にのみ駆動させることができることとなり、これにより、質量部の駆動により、Ｙ軸方向に移動することがないから、Ｚ軸方向周りの角速度が発生していない状態において、あたかもＺ軸方向周りの角速度が発生しているような出力信号が生じることを防止できる２軸検出角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。

本発明の一実施の形態における２軸検出角速度センサの側断面図 同２軸検出角速度センサの上面図 同２軸検出角速度センサにおける第１のＸ軸方向支持部材の側断面図 同２軸検出角速度センサにおける質量部のＸ軸方向およびＹ軸方向の駆動周波数と利得の関係を示す図 同２軸検出角速度センサの回路図 同２軸検出角速度センサをＸ軸方向に振動駆動させる状態を示す側断面図 同２軸検出角速度センサがＹ軸方向のコリオリ力により動作する状態を示す側断面図 同２軸検出角速度センサがＺ軸方向のコリオリ力により動作する状態を示す側断面図 同２軸検出角速度センサが動作したときの出力信号を示す図 従来の多軸検出角速度センサの側断面図 同多軸検出角速度センサの上面図

以下、本発明の一実施の形態における２軸検出角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における２軸検出角速度センサの側断面図、図２は同２軸検出角速度センサの上面図、図３は同２軸検出角速度センサにおける第１のＸ軸方向支持部材の側断面図、図４は同２軸検出角速度センサにおける質量部のＸ軸方向およびＹ軸方向の駆動周波数と利得の関係を示す図、図５は同２軸検出角速度センサの回路図である。

図１〜図５において、２１はＳｉからなる直方体形状の質量部である。２２はＳｉからなる第１のＸ軸方向支持部材で、この第１のＸ軸方向支持部材２２は、前記質量部２１における一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体２３を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体２４を設けているものである。また、前記第１のＸ軸方向支持部材２２の上面には、前記一対の外側駆動圧電体２３の間に位置して、外側モニタ圧電体２５を設けており、さらに前記内側駆動圧電体２４の間に位置して、内側モニタ圧電体２６を設けているものである。

２７はＳｉからなる第２のＸ軸方向支持部材で、この第２のＸ軸方向支持部材２７は、前記質量部２１における前記第１のＸ軸方向支持部材２２を設けた側と反対側の一側面の上部を支持するとともに、上面の外側に一対のＰＺＴからなる外側駆動圧電体２８を設け、さらに上面の内側に一対のＰＺＴからなる内側駆動圧電体２９を設けているものである。また、前記第２のＸ軸方向支持部材２７の上面には、前記一対の外側駆動圧電体２８の間に位置して、外側モニタ圧電体３０を設けており、さらに前記内側駆動圧電体２９の間に位置して、内側モニタ圧電体３１を設けているものである。

３２はＳｉからなる第１のＹ軸方向支持部材で、この第１のＹ軸方向支持部材３２は、前記質量部２１における一側面の上部を支持するとともに、また、前記第１のＹ軸方向支持部材３２の上面には、外側検出圧電体３５を設けており、さらに、内側検出圧電体３６を設けているものである。そしてまた、前記第１のＹ軸方向支持部材３２の上面には、外側補正圧電体３７を設けるとともに、内側に位置して内側補正圧電体３８を設けているものである。

３９はＳｉからなる第２のＹ軸方向支持部材で、この第２のＹ軸方向支持部材３９は、前記質量部２１における前記第１のＹ軸方向支持部材３２を設けた側と反対側の一側面の上部を支持している。また、前記第２のＹ軸方向支持部材３９の上面には、外側検出圧電体４２を設けており、さらに、内側検出圧電体４３を設けているものである。そしてまた、前記第２のＹ軸方向支持部材３９の上面には、一対の外側補正圧電体４０および内側補正圧電体７０を設けているものである。

また、前記第１のＸ軸方向支持部材２２の上面に位置する外側駆動圧電体２３および外側モニタ圧電体２５は、図３に示すように、Ｓｉからなる第１のＸ軸方向支持部材２２の上面に設けたＰｔとＴｉとの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極４４の上面に設けられ、そして、外側駆動圧電体２３の上面に駆動電極４５を設けるとともに、外側モニタ圧電体２５の上面に検出電極４６を設けているものである。そしてまた、前記質量部２１は、第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９で支持することにより、図４に示すように、Ｘ軸方向の駆動周波数が４０ｋＨｚになるように、また、Ｙ軸方向の駆動周波数が３５ｋＨｚになるように構成されているものである。そして、前記第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９は、図２に示すように、それらの間に４つの孔７１を有するとともに、外周側を一体に接続した外周部７２を有し、さらに前記外周部７２の上面にはＩＣからなる処理回路４８を設けているものである。

４７はＳｉからなる四角形筒状の枠体で、この枠体４７は前記第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２および第２のＹ軸方向支持部材３９と連接された外周部７２を支持しているものである。

前記外周部７２の上面に設けた処理回路４８は、前記外側駆動圧電体２３，２８、内側駆動圧電体２４，２９、外側モニタ圧電体２５，３０、外側検出圧電体３５，４２および内側モニタ圧電体２６，３１、内側検出圧電体３６，４３と回路パターン（図示せず）により電気的に接続しており、さらに、この処理回路４８からの出力信号を回路パターン（図示せず）を介して外部回路（図示せず）に出力しているものである。

また、前記処理回路４８は、図５に示すように、駆動回路４９、検出回路５０および補正回路５１とで構成されているものである。前記駆動回路４９は第１のＸ軸方向支持部材２２における外側モニタ圧電体２５および内側モニタ圧電体２６と第２のＸ軸方向支持部材２７における外側モニタ圧電体３０および内側モニタ圧電体３１とからの出力信号の差動値を駆動回路４９におけるＩＶ変換器５２、バンドパスフィルター５３およびＡＧＣ回路５４を介して生成した駆動信号を外側駆動圧電体２３，２８、および内側駆動圧電体２４，２９に入力することにより、質量部２１をＸ軸方向に一定の振幅で振動駆動させているものである。検出回路５０は、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６の出力信号を入力するＩＶ変換器６０と、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３からの出力信号を入力するＩＶ変換器６１からの出力信号との差動値を同期検波器６２によって、駆動回路４９におけるバンドパスフィルタ５３からの出力信号を位相シフト回路５７により位相を９０度遅らせた出力信号を基準として、位相検波した後、ローパスフィルター６３により平滑することにより、Ｙ軸周りの角速度を検出するものである。さらに、同様にして、同期検波器６８によって、位相検波した後、ローパスフィルター６９により平滑することにより、Ｚ軸周りの角速度を検出するものである。そしてまた、前記処理回路４８における補正回路５１は、前記駆動回路４９におけるＡＧＣ回路５４の減衰率を入力するＡＴＴ７３と、このＡＴＴ７３の減衰率を補正する補正定数を格納するＲＯＭからなる記憶手段７４と、前記位相シフト回路５７からの出力信号をＡＴＴ７３からの出力信号に応じて乗算する乗算器７５と、この乗算器７５からの出力信号を増幅するとともに互いに１８０度位相の異なる２つの信号を出力する増幅器７６とで構成されている。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における２軸検出角速度センサについて、次に、その組立方法を説明する。

まず、予め準備したＳｉからなる基材（図示せず）の上面に、ＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極４４を蒸着により形成し、その後、共通ＧＮＤ電極４４の上面にＰＺＴ薄膜からなる外側駆動圧電体２３，２８，４０、内側駆動圧電体２４，２９，３４，４１、外側検出圧電体３５，４２、内側検出圧電体３６，４３、外側モニタ圧電体２５，３０および内側モニタ圧電体２６，３１を蒸着により形成する。

次に、外側駆動圧電体２３，２８、内側駆動圧電体２４，２９、外側モニタ圧電体２５，３０、外側検出圧電体３５，４２、内側モニタ圧電体２６，３１、内側検出圧電体３６，４３、外側補正圧電体３７，４０および内側補正圧電体３８，７０の上面にＴｉとＡｕの合金薄膜からなる駆動電極４５、検出電極（図示せず）およびモニタ電極４６を形成する。

次に、共通ＧＮＤ電極４４側に電圧を印加するとともに、駆動電極４５、検出電極（図示せず）およびモニタ電極４６を接地することにより、外側駆動圧電体２３，２８、内側駆動圧電体２４，２９、外側検出圧電体３５，４２、内側検出圧電体３６，４３、外側モニタ圧電体２５，３０、内側モニタ圧電体２６，３１、外側補正圧電体３７，４０および内側補正圧電体３８，７０を分極する。

最後に、基材（図示せず）における不要な箇所を除去することにより、質量部２１、第１のＸ軸方向支持部材２２、第２のＸ軸方向支持部材２７、第１のＹ軸方向支持部材３２、第２のＹ軸方向支持部材３９、外周部７２および枠体４７を形成した後、回路パターン（図示せず）にＩＣからなる処理回路４８を半田付けする。

以上のように構成され、かつ組み立てられた本発明の一実施の形態における２軸検出角速度センサについて、次に、その動作を説明する。

まず、最初に質量部２１にＹ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。

質量部２１はＸ軸方向に振動駆動している。すなわち、第１のＸ軸方向支持部材２２における外側駆動圧電体２３および内側駆動圧電体２４に負電圧を印加すると同時に、第２のＸ軸方向支持部材２７における外側駆動圧電体２８および内側駆動圧電体２９に正電圧を印加すると、外側駆動圧電体２３および内側駆動圧電体２４は縮むとともに外側駆動圧電体２８および内側駆動圧電体２９は伸びることになり、その結果、質量部２１は、図６に示すように、第２のＸ軸方向支持部材２７に向かって移動する。

次に、第１のＸ軸方向支持部材２２における外側駆動圧電体２３および内側駆動圧電体２４に正電圧を印加すると同時に、第２のＸ軸方向支持部材２７における外側駆動圧電体２８および内側駆動圧電体２９に負電圧を印加すると、外側駆動圧電体２３および内側駆動圧電体２４は伸びるとともに外側駆動圧電体２８および内側駆動圧電体２９は縮むことになり、その結果、質量部２１は第１のＸ軸方向支持部材２２に向かって移動する。すなわち、正弦波からなる交流電圧を外側駆動圧電体２３，２８、および内側駆動圧電体２４，２９に印加することにより、質量部２１はＸ軸方向の駆動周波数で速度Ｖの振動駆動するものである。この質量部２１の振動駆動は内側モニタ圧電体２６，３１および外側モニタ圧電体２５，３０から発生する出力信号が一定になるように、外側駆動圧電体２３、内側駆動圧電体２４、外側駆動圧電体２８および内側駆動圧電体２９に印加する電圧を調整することにより、振動駆動の振幅を制御している。

ここで、まず、質量部２１にＺ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。質量部２１がＸ軸方向に振動駆動をしている状態において、質量部２１がＺ軸方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、図７に示すように、質量部２１にＹ軸方向のＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。

このコリオリ力により、質量部２１はＹ軸方向に振動駆動するため、この振動駆動によって、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６が伸びることにより正電荷が発生するとともに、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３が縮むことにより負電荷が発生する。そして、外側検出圧電体３５および内側検出圧電体３６から発生する電荷をＩＶ変換器６４により出力信号に変換するとともに、外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３から発生する電荷をＩＶ変換器６５により出力信号に変換し、両者の差動を取ることにより、Ｚ軸周りの角速度を検出する出力信号が出力される。

次に、質量部２１にＹ軸周りの角速度が付加される場合を説明する。

質量部２１がＸ軸方向に振動駆動をしている状態において、質量部２１がＹ軸方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、質量部２１にＺ軸方向のＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。

このコリオリ力により、質量部２１はＺ軸方向に振動駆動するため、この振動駆動によって、質量部２１が上方に移動するタイミングでは、図８に示すように、第１のＹ軸方向支持部材３２における内側検出圧電体３６および第２のＹ軸方向支持部材３９における内側検出圧電体４３が伸びることにより正電荷が発生するとともに、第１のＹ軸方向支持部材３２における外側検出圧電体３５および第２のＹ軸方向支持部材３９における外側検出圧電体４２が縮むことにより負電荷が発生する。そして、内側検出圧電体３６および内側検出圧電体４３から発生する電荷をＩＶ変換器６０により出力信号に変換するとともに、外側検出圧電体３５および外側検出圧電体４２から発生する電荷をＩＶ変換器６５により出力信号に変換し、両者の差動を取ることにより、出力信号が出力される。

ここで、質量部２１の重量バランス不釣合いにより、質量部２１がＸ軸方向の駆動振動がＹ軸方向に偏移して駆動する場合を考える。

Ｚ軸方向のコリオリ力が働かない状態においても、質量部２１がＹ軸方向に移動することになるため、外側検出圧電体３５、内側検出圧電体３６、外側検出圧電体４２および内側検出圧電体４３の各々に電荷が発生する。従って、検出回路５０におけるＩＶ変換器６４およびＩＶ変換器６５により変換した出力信号は、同期検波器６８およびローパスフィルター６９を介して、図９（ａ）に示す出力信号として出力される。そこで、この不要な信号を除去するために、図９（ｂ）に示す駆動回路４９におけるバンドパスフィルター５３からの出力信号を位相シフト回路５７により９０度遅らせた後、記憶手段７４に格納した補正定数を基に、ＡＧＣ回路５４の増幅率をＡＴＴ７３により補正し、乗算器７５により減衰させて、図９（ｃ）に示す出力信号を生成する。そしてこの出力信号を、増幅器７６により、一方は補正出力１として第１のＹ軸方向支持部材３２における外側補正圧電体３７および内側補正圧電体３８に入力するとともに、他方は補正出力２として反転させた信号を、第２のＹ軸方向支持部材３９における外側補正圧電体４０および内側補正圧電体７０に入力する。そうすると、検出回路５０におけるＩＶ変換器６４およびＩＶ変換器６５により変換した出力信号は、図９（ｄ）に示すようになり、前述の図９（ａ）に示す不要な出力信号と合成した出力信号は図９（ｅ）のようになる。すなわち、質量部２１はＸ軸方向の駆動からＹ軸方向に偏移しないように振動駆動させることができるものである。

本発明に係る２軸検出角速度センサは、質量部の質量バランスが取れていない場合であっても、質量部をＸ軸方向にのみ駆動させることができるという効果を有するものであり、特にＹ軸およびＺ軸の２軸方向の角速度を検出することが可能な２軸検出角速度センサとして有用なものである。

２１ 質量部
２２，２７ Ｘ軸方向支持部材
２３，２４，２８，２９ 駆動圧電体
２５，２６ モニタ圧電体
３２，３９ Ｙ軸方向支持部材
３５，３６，４２，４３ 検出圧電体
３７，３８，４０，７０ 補正圧電体
４９ 駆動回路
５０ 検出回路
５１ 補正回路
７４ 記憶手段

Claims (3)

1. Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に変位可能な質量部と、この質量部を支持するとともに少なくとも１つの駆動圧電体と少なくとも１つの検出圧電体と少なくとも１つのモニタ圧電体とを設けた支持部材と、前記質量部をＸ軸方向に振動駆動するＡＧＣ回路を有する駆動回路と、前記質量部にＹ軸方向またはＺ軸方向周りに付加される角速度により、支持部材における検出圧電体にコリオリ力により発生する出力信号を検出する検出回路と、前記質量部をコリオリ力を受けて歪む方向に駆動させる補正駆動手段とを備え、コリオリ力を受けずに支持部材に発生する擬似歪を検出回路で検出して、この擬似歪を相殺する方向に前記質量部を駆動させるように前記補正駆動手段を制御する補正回路を設けた２軸検出角速度センサ。
2. 補正駆動手段を、支持部材におけるＹ軸方向に設けた補正圧電体により構成した請求項１記載の２軸検出角速度センサ。
3. 補正回路に記憶手段を設け、この記憶手段に駆動回路におけるＡＧＣ回路の増幅率を減衰させる補正定数を格納し、駆動回路からの出力信号の位相を９０度遅延させた出力信号に前記ＡＧＣ回路の増幅率を減衰させた信号を乗算して補正圧電体に入力する構成とした請求項２記載の２軸検出角速度センサ。

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