JP3736038B2

JP3736038B2 - 角速度検出装置

Info

Publication number: JP3736038B2
Application number: JP14037097A
Authority: JP
Inventors: 勝長尾; 正喜江刺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2017-05-29
Also published as: JPH10332383A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出体の角速度を検出する角速度検出装置に関するものであり、特に、車両、航空機若しくは船舶等の移動体のナビゲーションシステム若しくは姿勢制御又は撮像機器の手ブレ補正等に適用される角速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の角速度検出装置は、特開平７−２３９３３９号公報に記載されている。この角速度検出装置は、振動体と駆動電極間に電圧を印加し、振動体をＹ軸方向に振動させている。本装置は、振動体をＹ軸方向に振動させた状態で、被検出体がＸ軸回りの角速度運動を行った場合に、振動体のＺ軸方向に働くコリオリの力をその静電容量の変化を用いて検出し、被検出体の角速度を検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、振動体の安定振動によって角速度検出精度を向上させるため、振動体を振動させる電圧は、通常、振動体の実際の振動を検知して生成しており、上記従来の角速度検出装置においては、振動体の実際の振動を検出するための振動モニタ用電極を振動体及び駆動電極とは別に備えており、装置の構成及び製造方法が複雑となっていた。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、簡単な電極構成で高精度の角速度を行うことができる角速度検出装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る角速度検出装置は、隣接する駆動電極及び可動電極から構成されるコンデンサに印加される駆動信号によって駆動電極と可動電極との間に働く静電引力により、可動電極を所定方向に振動させ、被検出体の角速度に応じて可動電極に働くコリオリの力を検出することによって被検出体の角速度を検出する角速度検出装置において、所定電位とコンデンサの一端との間に可動電極の振動が追従しないような高周波信号を駆動信号に重畳して印加し、可動電極の所定方向の変位に応じてコンデンサから出力される出力信号が変調されるとともに出力信号から駆動信号が除去されるようにコンデンサの他端に接続される回路を設定し、変調された出力信号を用いて可動電極の所定方向の変位を検出することを特徴とする。
【０００５】
本装置は、車両、航空機若しくは船舶等の移動体又は撮像機器等の被検出体に搭載される。駆動電極と可動電極との間に駆動信号を与えると、この間に働く静電引力によって、可動電極が所定方向に振動する。この可動電極の所定方向振動時に、被検出体が角速度を有する運動を行うと、可動電極の振動速度及び被検出体の角速度に応じてコリオリの力が可動電極に働き、可動電極がコリオリの力に沿った方向にも振動する。したがって、可動電極のコリオリの力に沿った方向の振動振幅等を検出することにより、可動電極に働くコリオリの力を検出すれば、被検出体の角速度を検出することができる。
【０００６】
本装置は、所定電位とコンデンサの一端との間に可動電極の振動が追従しないような高周波信号を駆動信号に重畳して印加するので、高周波信号の重畳によっては可動電極の振動は追従しない。コンデンサから出力される出力信号は、コンデンサに接続された回路の設定によって可動電極の変位に応じて変調される。したがって、この出力信号は実際の可動電極の所定方向の振動変位情報を含んでいる。この回路は、例えばハイパスフィルタを構成し、出力信号から駆動信号が除去されるように設定されているため、変調された出力信号から可動電極の所定方向の変位を検出することができる。したがって、本装置は振動モニタ用の別の電極を用いることなく、可動電極の実際の振動を検出することができる。可動電極の実際の振動を検出すれば、可動電極を安定して振動させることができ、角速度検出精度を向上させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る角速度検出装置について説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【０００８】
図１は、第１実施形態に係る角速度検出装置１を示す。本角速度検出装置１は、支持基板２と、支持基板２の表面２ｓ上に形成された検出電極３と、支持基板２の表面２ｓの上方に配置された振動体（可動電極）４と、振動体４の両端にそれぞれ隣接した一対の駆動電極５ａ，５ｂと、振動体４の一部分と支持基板２の表面２ｓとの間に介在するスペーサ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄと、駆動電極５ａ，５ｂの一部分と支持基板２の表面２ｓとの間にそれぞれ介在するスペーサ７ａ，７ｂと、支持基板２の裏面に固定された電気回路８とを備えている。なお、電気回路８は別基板上に固定されることとしてもよい。また、この角速度検出装置１は、図示しない密閉容器内に配置される。
【０００９】
支持基板２は、ガラス等の絶縁体から構成される。以下の説明では、支持基板２の表面２ｓを規定する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、支持基板２の厚み方向をＺ軸と規定する。なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交しているものとし、支持基板２から振動体４に向かう方向をＺ軸の正方向「上方向」とし、これと逆の方向をＺ軸の負方向「下方向」とする。また、Ｘ軸の正方向を「右方向」とし、負方向を「左方向」とする。
【００１０】
検出電極３は、駆動電極５ａ，５ｂの直下に位置するスペーサ７ａ，７ｂ間に配置されている。
【００１１】
振動体４は、検出電極３の直上に空間を介して位置する外縁矩形状の質量部４ｅと、矩形状の質量部４ｅの４つの角部に連続してＹ軸方向に沿って延びた４つの支持部４ａ₁，４ｂ₁，４ｃ₁，４ｄ₁と、各支持部４ａ₁，４ｂ₁，４ｃ₁，４ｄ₁の先端に連続して設けられた固定部４ａ₂，４ｂ₂，４ｃ₂，４ｄ₂と、質量部４ｅのＸ軸方向両端からＸ軸正負の方向にそれぞれ延びた櫛歯電極４ｅ₂，４ｅ₁とから構成される。振動体４は、導電性の材料によって一体的に構成されており、ドーパントの添加された多結晶シリコンから構成される。多結晶シリコンは、フォトリソグラフィ技術を用いた加工が可能である。なお、振動体４の材料としては、例えば、単結晶シリコン、アルミニウム若しくは銅等の金属、又は合金を用いることができる。
【００１２】
駆動電極５ａ、５ｂは、Ｙ軸方向に沿って延びた基部５ａ₂，５ｂ₂と、質量部４ｅのＸ軸方向両端部に位置する櫛歯電極４ｅ₁，４ｅ₂にそれぞれ噛みあうように隣接する櫛歯電極５ａ₁，５ｂ₁とを備えている。櫛歯電極４ｅ₁と櫛歯電極５ａ₁及び櫛歯電極４ｅ₂と櫛歯電極５ｂ₁は、それぞれインターデジタル構造を構成している。
【００１３】
スペーサ６ａ〜６ｄは、振動体４の固定部４ａ₂，４ｂ₂，４ｃ₂，４ｄ₂と支持基板２の表面２ｓとの間に介在しており、振動体４の質量部４ｅ及び支持部４ａ₁〜４ｄ₁と、支持基板２の表面２ｓとの間に空間を与えている。
【００１４】
スペーサ７ａ，７ｂは、駆動電極５ａ，５ｂの基部５ａ₂，５ｂ₂と支持基板２の表面２ｓとの間に介在しており、櫛歯電極５ａ₁，５ｂ₁と支持基板２の表面２ｓとの間に空間を与えている。スペーサ６ａ〜６ｄ，７ａ，７ｂは、ＰＳＧ（Phospho-Silicate Glass）又はＳｉＯ₂等の振動体４の材料に対して選択的にエッチングが可能な材料又は振動体４と同一の材料からなる。
【００１５】
電気回路８は、検出電極３、駆動電極５ａ，５ｂ及び振動体４に電気的に接続されており、振動体４をＸ軸方向に振動させる信号を出力するとともに、振動体４のＺ軸方向の振動に応じた信号を検出する。換言すれば、駆動電極５ａ，５ｂと振動体４との間に所定の電圧（重畳信号）を印加すると、これらから構成されるコンデンサの容量が増加するように、振動体４はＸ軸方向に沿って振動する。振動体４をＸ軸方向に振動させた状態で、この角速度検出装置１の設けられた被検出体がＹ軸に平行な軸を中心とする回転運動を行うと、その角速度Ω、振動体４可動部の質量ｍ及び振動速度Ｖｘに応じてＺ軸方向にコリオリの力Ｆｃが働き、振動体４はＺ軸方向にも振動する。振動体４のＺ軸方向の振動に応じて検出電極３から出力された信号（検出信号）の振幅は角速度Ωに比例するため、電気回路８は被検出体の角速度Ωに比例した信号を出力することができる。
【００１６】
図２は、図１に示した角速度検出装置１の電気的な構成を示す。また、図３（ａ）は駆動信号Ａ１，Ａ２のタイミングチャート、図３（ｂ）は変調信号Ｂのタイミングチャート、図３（ｃ）は反転した変調信号Ｃのタイミングチャート、図３（ｄ）は変調された実際の駆動振動（重畳信号）Ｄ１，Ｄ２のタイミングチャート、図３（ｅ）は振動体４のＸ軸方向の変位Ｅのタイミングチャート、図３（ｆ）は振動体４の電位Ｆのタイミングチャート、図３（ｇ）は振動体４の検波後のＸ軸方向の変位検出信号Ｇを示す。以下の説明においては、図２と共に図３を適宜参照する。
【００１７】
電気回路８は、振動体４をＸ軸方向に振動させるための重畳信号Ｄ１及びＤ２を出力する駆動回路８ａと、振動体４のＺ軸方向の振動に応じた検出信号Ｉが入力され、振動体４のＺ軸方向の振動振幅に応じた信号を端子Ｖ_OUTから出力する検出回路８ｂとを備えている。
【００１８】
駆動回路８ａは、所定周波数ｆ_Lの正弦波電圧信号（駆動信号）Ａを出力する駆動信号発生器８ａ₁と、正弦波電圧信号Ａの位相を反転させるインバータ等の第１位相反転器８ａ₂とを備えており、互いに位相が反転した正弦波電圧信号Ａ１，Ａ２が駆動信号として櫛歯電極４ｅ₁，５ａ₁から構成されるコンデンサＣ１及び櫛歯電極４ｅ₂，５ｂ₁から構成されるコンデンサＣ２にそれぞれ印加される（図３（ａ））。正弦波電圧信号Ａ１，Ａ２は、それぞれ接地電位から所定値高い電位を振幅中心とする正弦波電位と接地電位との電位差によって規定される。コンデンサＣ１及びＣ２の一端を構成する振動体４は、コンデンサ両端に電圧が印加されるとその静電容量を増加させるような静電引力を受け、Ｘ軸に沿って移動する。コンデンサの容量は対向する電極面積が増加するほど増加する。振動体４及び駆動電極５ａ，５ｂは、振動体４がＸ軸の正方向に移動し、櫛歯電極４ｅ₂と５ｂ₁とから構成されるコンデンサＣ２の容量が増加すると、櫛歯電極４ｅ₁と５ａ₁とから構成されるコンデンサＣ１の容量が減少するように配置されている。したがって、振動体４は駆動信号Ａ１，Ａ２が印加されることにより、Ｘ軸に沿って振動しようとする。
【００１９】
駆動回路８ａは、矩形波の高周波電圧信号Ｂを発生する発振器８ａ₃と、高周波電圧信号Ｂの位相を反転させて高周波電圧信号Ｃとして出力する第２位相反転器８ａ₄とを備えている（図３（ｂ），図３（ｃ））。これらの互いに位相反転した高周波電圧信号Ｂ，Ｃは、駆動回路８ａ内の加算器８ａ₅，８ａ₆にそれぞれ入力される。加算器８ａ₅，８ａ₆は、それぞれ駆動信号Ａ１，Ａ２に高周波電圧信号Ｂ，Ｃを重畳し、重畳信号Ｄ１及びＤ２を出力する（図３（ｄ））。高周波電圧信号Ｂ，Ｃの周波数ｆ_Hは、駆動信号Ａの周波数ｆ_Lよりも十分に高く、振動体４の支持部４ａ₁〜４ｄ₁のバネ定数等から決定される振動体４の固有振動数よりも十分に高い。したがって、この重畳信号Ｄ１及びＤ２をそれぞれコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加すると、電圧Ｄ１及びＤ２による静電引力にしたがい、振動体４はＸ軸方向に沿って駆動信号Ａ１，Ａ２の周波数ｆ_Lで振動する。すなわち、振動体４のＸ軸方向の変位Ｅの振動周波数は周波数ｆ_Lに一致する（図３（ｅ））。ここでは、振動体４がそのＸ軸方向の固有振動数で振動しているものとし、その振動の位相は駆動信号の位相に対してπ／２ずれているものとする。
【００２０】
駆動回路８ａは、入力が振動体４に電気的に接続された電圧フォロア回路８ａ₇を備える。振動体４は電圧フォロア回路８ａ₇の抵抗Ｒ_INを介して接地電位に接続されており、コンデンサＣ１，Ｃ２及び抵抗Ｒ_INはハイパスフィルタを構成する。このハイパスフィルタは、その低域遮断周波数ｆ_Cが高周波電圧信号Ｂ，Ｃの周波数ｆ_Hよりも低く、駆動信号Ａ１，Ａ２の周波数ｆ_Lよりも高く設定されているため、振動体４の電位信号Ｆからは駆動信号Ａ１，Ａ２の成分が除去され、高周波電圧信号Ｂ，Ｃ成分が振動体４の実際の振動変位に応じて振幅変調された信号が出力される（図３（ｆ））。この変調された信号を電界効果トランジスタＦＥＴのゲートに入力し、入力信号に応じてＦＥＴのドレイン／ソース間を流れる電流を制御し、この電流が抵抗Ｒを流れることによる電圧降下信号をバンドパスフィルタ８ａ₈に入力する。バンドパスフィルタ８ａ₈の帯域は、変調された信号の周波数のみを通過させるように設定し、ノイズ成分を除去する。
【００２１】
また、本装置は、発振器８ａ₃から出力された高周波電圧信号Ｂ，Ｃで、バンドパスフィルタを通過した信号を同期検波する同期検波回路８ａ₉と、同期検波された信号を通過させるローパスフィルタ８ａ₁₀とを備えている。この同期検波によって、振動体４の電位の包絡線、すなわち、振動体４の実際の変位を示す変位検出信号Ｇ（図３（ｇ））を得ることができる。
【００２２】
このようにして得られた変位検出信号Ｇは、自動利得制御回路（ＡＧＣ）８ａ₁₁に入力される。自動利得制御回路８ａ₁₁は、入力される変位検出信号Ｇの振幅が大きくなる場合には、駆動信号発生器８ａ₁から出力される駆動信号の振幅を小さくし、入力される変位検出信号Ｇの振幅が小さくなる場合には、駆動信号発生器８ａ₁から出力される駆動信号の振幅を大きくし、駆動信号の振幅を一定に保持するようフィードバック制御を行う。
【００２３】
上述のように、振動体４をＸ軸方向に振動させた状態で、Ｙ軸に平行な軸を回転軸とする運動を被検出体が行うと、振動体４のＺ軸方向に被検出体の角速度Ωに応じたコリオリの力が働き、振動体４の質量部４ｅと検出電極３とから構成されるコンデンサＣ３の容量が変化する。検出回路８ｂはこのコンデンサＣ３の容量変化を測定し、容量変化に応じた信号を角速度情報として端子Ｖ_OUTから出力する。
【００２４】
以上、説明したように、上記実施形態に係る角速度検出装置は、隣接する駆動電極５ａ，５ｂ及び可動電極４から構成されるコンデンサＣ１，Ｃ２に印加される駆動信号Ａ１，Ａ２によって駆動電極５ａ，５ｂと可動電極４との間に働く静電引力により、可動電極４を所定方向（Ｘ）に振動させ、可動電極４の振動速度Ｖｘ及び被検出体の角速度Ωに応じて可動電極４に働くコリオリの力Ｆｃを検出することによって被検出体の角速度Ωを検出する角速度検出装置において、所定電位（０Ｖ）とコンデンサＣ１，Ｃ１の一端との間に可動電極４の振動が追従しないような高周波信号を駆動信号Ａ１，Ａ２に重畳して印加し、可動電極４の所定方向（Ｘ）の変位に応じてコンデンサＣ１，Ｃ２から出力される出力信号Ｆが変調されるとともに出力信号Ｆから駆動信号Ａ１，Ａ２が除去されるようにコンデンサＣ１，Ｃ２の他端に接続される回路（ハイパスフィルタ）を設定し、変調された出力信号Ｆを用いて可動電極４の所定方向（Ｘ）の変位を検出する。本実施形態に係る角速度検出装置は、変位検出信号Ｇが振動体４のＸ軸方向の実際の変位を示すため、その変位を検出することができ、検出された変位を用いて振動を安定化させ、高精度の角速度検出を行うことができる。なお、上記実施形態においては、電圧フォロア回路８ａ₇を用いたが、これは図４に示すようなＣＶ変換回路８ａ₇’を代わりに用いてもよい。
【００２５】
また、振動体４の構造は角速度検出ができるような構造であれば、種々の変形が可能である。
【００２６】
また、上記実施形態の角速度検出装置においては、駆動信号Ａ及び変調信号Ｂ，Ｃとして正弦波及び矩形波を用いたが、これらの信号として三角波等の他の波形を用いてもよい。
【００２７】
さらに、従来の振動モニタ用電極として用いられている電極に駆動信号Ａ及び変調信号Ｂ，Ｃを印加し、駆動力及び感度を更に高めることとしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る角速度検出装置は、信号を変調することによって可動電極の実際の変位を検出することができるため、特別な電極を用いることなく、可動電極の変位を検出することができるとともに、可動電極を安定して振動させることができ、角速度検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る角速度検出装置の斜視図。
【図２】図１に示した角速度検出装置のシステム構成図。
【図３】駆動電極に与えられる信号並びに検出信号及び可動電極の変位のタイミングチャート。
【図４】ＣＶ変換回路の回路図。
【符号の説明】
５ａ，５ｂ…駆動電極、４…可動電極（振動体）、Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ。

Claims

隣接する駆動電極及び可動電極から構成されるコンデンサに印加される駆動信号によって前記駆動電極と前記可動電極との間に働く静電引力により、前記可動電極を所定方向に振動させ、被検出体の角速度に応じて前記可動電極に働くコリオリの力を検出することによって前記被検出体の角速度を検出する角速度検出装置において、所定電位と前記コンデンサの一端との間に前記可動電極の振動が追従しないような高周波信号を前記駆動信号に重畳して印加し、前記可動電極の前記所定方向の変位に応じて前記コンデンサから出力される出力信号が変調されるとともに前記出力信号から前記駆動信号が除去されるように前記コンデンサの他端に接続される回路を設定し、変調された前記出力信号を用いて前記可動電極の前記所定方向の変位を検出することを特徴とする角速度検出装置。