JPWO2006038675A1 - 角速度センサ - Google Patents

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Abstract

角速度センサは、互いに平行に延びる一対のアーム部が軸部に連設された振動子と、前記アーム部を互いに逆向きに振動させる駆動手段と、前記アーム部がコリオリ力を受けて歪む方向における当該アーム部の歪を検知する歪検知手段とを備えている。この角速度センサには、前記アーム部を当該アーム部が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、コリオリ力を受けずに発生するアーム部の擬似歪を前記歪検知手段で検知して、この擬似歪を相殺する方向に前記アーム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とが設けられている。

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度センサに関するものである。
以下、従来の角速度センサについて説明する。
図9は従来の角速度センサの振動子の平面図、図10は同角速度センサの一部透視斜視図である。
従来の角速度センサは、例えば、音さ形状の振動子1を振動させて、コリオリ力の発生に伴う振動子1の歪を電気的に検知して、角速度を算出する。通常、1つの角速度センサによって、1つの回転軸に対する角速度を算出できる。
この角速度センサに用いる振動子1の形状としては、音さ形状やH形状やT字形状等、各種の形状がある。例えば、音さ形状の振動子1は、一対のアーム部2で形成されたU字部3に、棒状の軸部4が連結されている。
また、この振動子1には、コリオリ力に伴うアーム部2の歪を電気的に検知し、演算処理して角速度を算出する演算処理回路5が接続されている。前記演算処理回路5は回路基板6に形成されており、この回路基板6に振動子1が実装されている。そして、振動子1及び回路基板6にケース7が被せられて、角速度センサが形成されている。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、例えば、特許文献1が知られている。
一般的に、上記角速度センサの振動子1は、その製造過程におけるバラツキによって、一対のアーム部2の質量が完全に同等にならない場合がある。
上記構成では、アーム部2を例えば互いに近接または離間する方向に振動させた状態で角速度が生じると、コリオリ力に起因してその振動方向と直交する方向にアーム部2が歪む。しかし、一対のアーム部2の質量が完全に同等になっていない場合等には、アーム部2を振動させると、角速度が生じていなくてもアーム部2が振動する方向以外にアーム部2が歪み(以下、この歪を「擬似歪」という)、この擬似歪によって不要信号が発生するという現象が生じていた。そして、これにより特性が劣化するという問題点を有していた。
特開2002−243451号公報
本発明は上記問題点を解決するものであって、コリオリ力を受けずに発生するアーム部の擬似歪を抑制して、特性を向上させることができる角速度センサを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る角速度センサは、互いに平行に延びる一対のアーム部が軸部に連結された振動子と、前記アーム部を互いに逆向きに振動させる駆動手段と、前記アーム部がコリオリ力を受けて歪む方向における当該アーム部の歪を検知する歪検知手段とを備え、前記アーム部を当該アーム部が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、コリオリ力を受けずに発生するアーム部の擬似歪を前記歪検知手段で検知して、この擬似歪を相殺する方向に前記アーム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とが設けられていることを特徴とするものである。
この構成によれば、コリオリ力を受けずに発生するアーム部の擬似歪を検知して、この擬似歪を相殺する方向にアーム部を駆動させるようにしているので、見かけ上、アーム部に歪が生じなくなるため、不要信号の発生を抑制することができ、特性を向上させることができる。
図1は、本発明の一実施の形態における角速度センサの動作原理を説明するブロック図である。 図2は、同角速度センサの振動子の平面図である。 図3は、図2のI−I線断面図である。 図4は、同角速度センサの振動子の側面図である。 図5は、同角速度センサの他の振動子の平面図である。 図6は、図5のII−II線断面図である。 図7は、同角速度センサの他の振動子の平面図である。 図8は、図7のIII−III線断面図である。 図9は、従来の角速度センサの振動子の平面図である。 図10は、同角速度センサの一部透視斜視図である。
以下、本発明の一実施の形態における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角速度センサの動作原理を説明するブロック図、図2は同角速度センサの振動子の平面図、図3は図2のI−I線断面図、図4は同角速度センサの振動子の側面図である。
図1〜図4において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、互いに平行に延びる一対のアーム部11で形成されたU字部12に、棒状の軸部13が連結された振動子14と、コリオリ力に伴う振動子14の歪を電気的に検知し、演算処理して角速度を算出する演算処理回路15と、この振動子14に発生する不要信号を補正する補正回路10とを備えている。
演算処理回路15及び補正回路10は、振動子14が実装される図略の回路基板に形成されている。
振動子14は、電極間(駆動電極17、検知電極18、補正駆動電極19、モニタ電極20の各々の(+側極)と(−側極)との間)に介在させた水晶からなる圧電体16で構成され、アーム部11が並ぶ方向(以下、X方向という)及びアーム部11が延びる方向(以下、Z方向という)と直交する方向(以下、Y方向という)に所定の厚みを有している。
各アーム部11の断面形状は、略矩形状となっており、各アーム部11のY方向の互いに平行な表面に、アーム部11をX方向に沿って互いに逆向きに駆動振動させる駆動電極17(駆動手段)がそれぞれ配置され、各アーム部11のX方向の互いに平行な表面に、コリオリ力に伴うアーム部11のY方向の歪みを検知する検知用の検知電極18(歪検知手段)及びアーム部11をY方向に補正駆動させる補正駆動用の補正駆動電極19(補正駆動手段)がそれぞれ配置されている。
検知電極18と補正駆動電極19は、Z方向において駆動電極17と対応する領域にZ方向に並んで設けられており、補正駆動電極19は、検知電極18よりも基部13側に位置している。補正駆動電極19のY方向の幅は、検知電極18のY方向の幅と略同一になっているが、補正駆動電極19のZ方向の長さは、検知電極18のZ方向の長さよりも短くなっている。
また、振動子14の軸部13のアーム部11側近傍には、駆動振動の状態をモニタするモニタ電極20が配置されている。
ここで、圧電体16は、2つの圧電層23を張り合わせたものであって、これらの圧電層23は、一方の圧電層23の電気軸と他方の圧電層23の電気軸とが互いに反対になるように張り合わされており、補正駆動電極19及び検知電極18は、圧電層23の張り合わせ面を跨って両圧電層23に接合されるように配置されている。
このような振動子14において、駆動振動用の駆動電極17に電圧が印加されると、図2に示すように、X方向に、振動子14のアーム部11が駆動振動する。
このとき、角速度が生じていなくても、検知電極18で歪が検知されて不要信号が発生することがある。この不要信号は、本来はコリオリ力に起因して振動子14が歪む方向、すなわちY方向にコリオリ力を受けずにアーム部11が歪む擬似歪に起因して発生した信号である。この擬似歪は、一対のアーム部11に質量差がある場合に発生しやすい。補正回路10は、このアーム部11の擬似歪を相殺する方向に当該アーム部11を補正駆動させるように補正駆動電極18を制御する回路である。
補正回路10は、製造工程の後の調整工程で所定の電圧信号を出力するように調整される。この調整工程では、例えば、工場内で接地固定された定盤上に角速度センサが設置され、この状態でアーム部11が駆動振動させられることにより、角速度が生じていないときのアーム部の擬似歪が検知用の検知電極18で検知される。擬似歪の特性は、一対のアーム部11の質量差以外にもアーム部11の剛性等の影響により、振動子14ごとに異なるものであるため、検知電極18で検知される擬似歪は、種々の波形を有し、例えばAC的波形やDC的波形またはこれらの組合せからなる波形を有する。そして、検知電極18で検知された擬似歪の波形は、補正回路10の内部に設けられたメモリに予め記憶される。補正回路10は、メモリに記憶された擬似歪の波形を反転した波形を有する電圧信号を出力するようになっており、この電圧信号に応じた電圧を補正駆動用の補正駆動電極19に印加することによって、擬似歪を相殺する方向にアーム部11を補正駆動させる。これにより、見かけ上、アーム部11には歪みが生じなくなる。なお、補正回路10としては、メモリを有したものに限らず、擬似歪の波形が例えば正弦波等の単純な波形である場合には、その波形を反転した波形を有する電圧信号をオペアンプ等のアナログ回路を通じて直接的に出力するようにしてもよい。
このように、本実施形態における角速度センサでは、コリオリ力を受けずに発生するアーム部11の擬似歪を検知して、この擬似歪を相殺する方向にアーム部11を駆動させるようにしているので、見かけ上、アーム部11に歪が生じなくなるため、不要信号の発生を抑制することができ、特性を向上させることができる。
なお、図5、図6に示すように、振動子14の圧電体16は、単体の水晶で形成し、補正駆動用の補正駆動電極19をアーム部11の各表面で分割するとともに、分割した補正駆動電極19を互いに極性が異なるように配置してもよい。
また、図7、図8に示すように、振動子14は、所定形状に形成された基板22で構成されていてもよい。この場合には、各アーム部11のY方向の片面に、電極間(駆動電極17、検知電極18、補正駆動電極19、モニタ電極20の各々の(+側極)と(−側極)との間)に圧電体16を介在させた圧電素子27〜29を設ければよい。
具体的には、駆動電極17の間に圧電体16を介在させた、アーム部11を駆動振動させる駆動振動用の圧電素子27が各アーム部11におけるX方向の外側に一対配置されているとともに、これらの圧電素子27の間に、検知電極18の間に圧電体16を介在させた、アーム部11の歪を検知する検知用の圧電素子28と、補正駆動電極19の間に圧電体16を介在させた、アーム部11を補正駆動させる補正駆動用の圧電素子29とが配置されている。
各圧電素子27〜29のZ方向における長さは、全てが略同一に設定されている。また、補正駆動用の圧電素子29は、X方向において検知用の圧電素子28よりも外側に位置しており、補正駆動用の圧電素子29のX方向の幅は、駆動用の圧電素子27及び検知用の圧電素子28のX方向の幅よりも狭くなっている。
さらに、振動子14の形状としては、音さ形状以外にも、H形状やT字形状等、各種の形状でもよい。
以上のように、本発明の角速度センサは、特性を向上させることができるものであり、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いることができる。
本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる角速度センサに関するものである。
以下、従来の角速度センサについて説明する。
図9は従来の角速度センサの振動子の平面図、図10は同角速度センサの一部透視斜視図である。
従来の角速度センサは、例えば、音さ形状の振動子1を振動させて、コリオリ力の発生に伴う振動子1の歪を電気的に検知して、角速度を算出する。通常、1つの角速度センサによって、1つの回転軸に対する角速度を算出できる。
この角速度センサに用いる振動子1の形状としては、音さ形状やH形状やT字形状等、各種の形状がある。例えば、音さ形状の振動子1は、一対のアーム部2で形成されたU字部3に、棒状の軸部4が連結されている。
また、この振動子1には、コリオリ力に伴うアーム部2の歪を電気的に検知し、演算処理して角速度を算出する演算処理回路5が接続されている。前記演算処理回路5は回路基板6に形成されており、この回路基板6に振動子1が実装されている。そして、振動子1及び回路基板6にケース7が被せられて、角速度センサが形成されている。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、例えば、特許文献1が知られている。
一般的に、上記角速度センサの振動子1は、その製造過程におけるバラツキによって、一対のアーム部2の質量が完全に同等にならない場合がある。
上記構成では、アーム部2を例えば互いに近接または離間する方向に振動させた状態で角速度が生じると、コリオリ力に起因してその振動方向と直交する方向にアーム部2が歪む。しかし、一対のアーム部2の質量が完全に同等になっていない場合等には、アーム部2を振動させると、角速度が生じていなくてもアーム部2が振動する方向以外にアーム部2が歪み(以下、この歪を「擬似歪」という)、この擬似歪によって不要信号が発生するという現象が生じていた。そして、これにより特性が劣化するという問題点を有していた。
特開2002−243451号公報
本発明は上記問題点を解決するものであって、コリオリ力を受けずに発生するアーム部の擬似歪を抑制して、特性を向上させることができる角速度センサを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係る角速度センサは、互いに平行に延びる一対のアーム部が軸部に連結された振動子と、前記アーム部を互いに逆向きに振動させる駆動手段と、前記アーム部がコリオリ力を受けて歪む方向における当該アーム部の歪を検知する歪検知手段とを備え、前記アーム部を当該アーム部が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、コリオリ力を受けずに発生するアーム部の擬似歪を前記歪検知手段で検知して、この擬似歪を相殺する方向に前記アーム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とが設けられていることを特徴とするものである。
この構成によれば、コリオリ力を受けずに発生するアーム部の擬似歪を検知して、この擬似歪を相殺する方向にアーム部を駆動させるようにしているので、見かけ上、アーム部に歪が生じなくなるため、不要信号の発生を抑制することができ、特性を向上させることができる。
以下、本発明の一実施の形態における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角速度センサの動作原理を説明するブロック図、図2は同角速度センサの振動子の平面図、図3は図2のI−I線断面図、図4は同角速度センサの振動子の側面図である。
図1〜図4において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、互いに平行に延びる一対のアーム部11で形成されたU字部12に、棒状の軸部13が連結された振動子14と、コリオリ力に伴う振動子14の歪を電気的に検知し、演算処理して角速度を算出する演算処理回路15と、この振動子14に発生する不要信号を補正する補正回路10とを備えている。
演算処理回路15及び補正回路10は、振動子14が実装される図略の回路基板に形成されている。
振動子14は、電極間(駆動電極17、検知電極18、補正駆動電極19、モニタ電極20の各々の(+側極)と(−側極)との間)に介在させた水晶からなる圧電体16で構成され、アーム部11が並ぶ方向(以下、X方向という)及びアーム部11が延びる方向(以下、Z方向という)と直交する方向(以下、Y方向という)に所定の厚みを有している。
各アーム部11の断面形状は、略矩形状となっており、各アーム部11のY方向の互いに平行な表面に、アーム部11をX方向に沿って互いに逆向きに駆動振動させる駆動電極17(駆動手段)がそれぞれ配置され、各アーム部11のX方向の互いに平行な表面に、コリオリ力に伴うアーム部11のY方向の歪みを検知する検知用の検知電極18(歪検知手段)及びアーム部11をY方向に補正駆動させる補正駆動用の補正駆動電極19(補正駆動手段)がそれぞれ配置されている。
検知電極18と補正駆動電極19は、Z方向において駆動電極17と対応する領域にZ方向に並んで設けられており、補正駆動電極19は、検知電極18よりも基部13側に位置している。補正駆動電極19のY方向の幅は、検知電極18のY方向の幅と略同一になっているが、補正駆動電極19のZ方向の長さは、検知電極18のZ方向の長さよりも短くなっている。
また、振動子14の軸部13のアーム部11側近傍には、駆動振動の状態をモニタするモニタ電極20が配置されている。
ここで、圧電体16は、2つの圧電層23を張り合わせたものであって、これらの圧電層23は、一方の圧電層23の電気軸と他方の圧電層23の電気軸とが互いに反対になるように張り合わされており、補正駆動電極19及び検知電極18は、圧電層23の張り合わせ面を跨って両圧電層23に接合されるように配置されている。
このような振動子14において、駆動振動用の駆動電極17に電圧が印加されると、図2に示すように、X方向に、振動子14のアーム部11が駆動振動する。
このとき、角速度が生じていなくても、検知電極18で歪が検知されて不要信号が発生することがある。この不要信号は、本来はコリオリ力に起因して振動子14が歪む方向、すなわちY方向にコリオリ力を受けずにアーム部11が歪む擬似歪に起因して発生した信号である。この擬似歪は、一対のアーム部11に質量差がある場合に発生しやすい。補正回路10は、このアーム部11の擬似歪を相殺する方向に当該アーム部11を補正駆動させるように補正駆動電極18を制御する回路である。
補正回路10は、製造工程の後の調整工程で所定の電圧信号を出力するように調整される。この調整工程では、例えば、工場内で接地固定された定盤上に角速度センサが設置され、この状態でアーム部11が駆動振動させられることにより、角速度が生じていないときのアーム部の擬似歪が検知用の検知電極18で検知される。擬似歪の特性は、一対のアーム部11の質量差以外にもアーム部11の剛性等の影響により、振動子14ごとに異なるものであるため、検知電極18で検知される擬似歪は、種々の波形を有し、例えばAC的波形やDC的波形またはこれらの組合せからなる波形を有する。そして、検知電極18で検知された擬似歪の波形は、補正回路10の内部に設けられたメモリに予め記憶される。補正回路10は、メモリに記憶された擬似歪の波形を反転した波形を有する電圧信号を出力するようになっており、この電圧信号に応じた電圧を補正駆動用の補正駆動電極19に印加することによって、擬似歪を相殺する方向にアーム部11を補正駆動させる。これにより、見かけ上、アーム部11には歪みが生じなくなる。なお、補正回路10としては、メモリを有したものに限らず、擬似歪の波形が例えば正弦波等の単純な波形である場合には、その波形を反転した波形を有する電圧信号をオペアンプ等のアナログ回路を通じて直接的に出力するようにしてもよい。
このように、本実施形態における角速度センサでは、コリオリ力を受けずに発生するアーム部11の擬似歪を検知して、この擬似歪を相殺する方向にアーム部11を駆動させるようにしているので、見かけ上、アーム部11に歪が生じなくなるため、不要信号の発生を抑制することができ、特性を向上させることができる。
なお、図5、図6に示すように、振動子14の圧電体16は、単体の水晶で形成し、補正駆動用の補正駆動電極19をアーム部11の各表面で分割するとともに、分割した補正駆動電極19を互いに極性が異なるように配置してもよい。
また、図7、図8に示すように、振動子14は、所定形状に形成された基板22で構成されていてもよい。この場合には、各アーム部11のY方向の片面に、電極間(駆動電極17、検知電極18、補正駆動電極19、モニタ電極20の各々の(+側極)と(−側極)との間)に圧電体16を介在させた圧電素子27〜29を設ければよい。
具体的には、駆動電極17の間に圧電体16を介在させた、アーム部11を駆動振動させる駆動振動用の圧電素子27が各アーム部11におけるX方向の外側に一対配置されているとともに、これらの圧電素子27の間に、検知電極18の間に圧電体16を介在させた、アーム部11の歪を検知する検知用の圧電素子28と、補正駆動電極19の間に圧電体16を介在させた、アーム部11を補正駆動させる補正駆動用の圧電素子29とが配置されている。
各圧電素子27〜29のZ方向における長さは、全てが略同一に設定されている。また、補正駆動用の圧電素子29は、X方向において検知用の圧電素子28よりも外側に位置しており、補正駆動用の圧電素子29のX方向の幅は、駆動用の圧電素子27及び検知用の圧電素子28のX方向の幅よりも狭くなっている。
さらに、振動子14の形状としては、音さ形状以外にも、H形状やT字形状等、各種の形状でもよい。
以上のように、本発明の角速度センサは、特性を向上させることができるものであり、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いることができる。
図1は、本発明の一実施の形態における角速度センサの動作原理を説明するブロック図である。 図2は、同角速度センサの振動子の平面図である。 図3は、図2のI−I線断面図である。 図4は、同角速度センサの振動子の側面図である。 図5は、同角速度センサの他の振動子の平面図である。 図6は、図5のII−II線断面図である。 図7は、同角速度センサの他の振動子の平面図である。 図8は、図7のIII−III線断面図である。 図9は、従来の角速度センサの振動子の平面図である。 図10は、同角速度センサの一部透視斜視図である。

Claims (12)

  1. 互いに平行に延びる一対のアーム部が軸部に連結された振動子と、前記アーム部を互いに逆向きに振動させる駆動手段と、前記アーム部がコリオリ力を受けて歪む方向における当該アーム部の歪を検知する歪検知手段とを備え、
    前記アーム部を当該アーム部が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、コリオリ力を受けずに発生するアーム部の擬似歪を前記歪検知手段で検知して、この擬似歪を相殺する方向に前記アーム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とが設けられていることを特徴とする角速度センサ。
  2. 前記振動子は、所定形状に形成された板状の圧電体で構成されていて、前記各アーム部の断面形状は略矩形状となっており、前記駆動手段は、前記各アーム部の一方の互いに平行な表面のそれぞれに配置された駆動電極からなり、前記補正駆動手段は、前記各アーム部の他方の互いに平行な表面のそれぞれに配置された補正駆動電極からなることを特徴とする請求項1に記載の角速度センサ。
  3. 前記歪検知手段は、前記各アーム部の他方の互いに平行な表面のそれぞれに配置された検知電極からなり、前記補正駆動電極は、この検知電極よりも前記軸部側に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の角速度センサ。
  4. 前記補正電極と検知電極とは、前記アーム部の延びる方向に沿って離間する位置に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の角速度センサ。
  5. 前記補正電極におけるアーム部の延びる方向の長さは、前記検知電極におけるアーム部の延びる方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項3または4に記載の角速度センサ。
  6. 前記圧電体は、水晶からなる2つの圧電層を、一方の圧電層の電気軸と他方の圧電層の電気軸とが互いに反対になるように張り合わせて構成されたものであり、この圧電体における前記圧電層の張り合わせ方向と直交する方向の端面に、前記圧電層の張り合わせ面を跨るように前記補正駆動電極が配置されていることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の角速度センサ。
  7. 前記圧電体は、水晶からなる1つの圧電層で構成されたものであり、前記補正駆動電極は、前記各アーム部の他方の互いに平行な表面のそれぞれに一対設けられており、各表面の一対の補正駆動電極は、互いに極性が異っていることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の角速度センサ。
  8. 前記振動子は、所定形状に形成された基板で構成されており、前記駆動手段は、前記各アーム部の一の面に配置された、駆動電極の間に圧電体を介在させた駆動用の圧電素子からなり、前記補正駆動手段は、前記各アーム部の一の面に配置された、補正駆動電極の間に圧電体を介在させた補正駆動用の圧電素子からなることを特徴とする請求項1に記載の角速度センサ。
  9. 前記駆動用の圧電素子は、前記各アーム部の一の面に一対配置されており、これらの駆動用の圧電素子の間に前記補正駆動用の圧電素子が配置されていることを特徴とする請求項8に記載の角速度センサ。
  10. 前記歪検知手段は、前記各アーム部の一の面上で、前記一対の駆動用の圧電素子の間に配置された、検知電極の間に圧電体を介在させた検知用の圧電素子からなっていることを特徴とする請求項9に記載の角速度センサ。
  11. 前記補正駆動用の圧電素子は、前記アーム部の並び方向で、前記検知用の圧電素子よりも外側に配置されていることを特徴とする請求項10に記載の角速度センサ。
  12. 前記補正駆動用の圧電素子におけるアーム部の並び方向の幅は、前記駆動用の圧電素子及び検知用の圧電素子におけるアーム部の並び方向の幅よりも狭いことを特徴とする請求項10または11に記載の角速度センサ。
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