WO2006038675A1

WO2006038675A1 - 角速度センサ

Info

Publication number: WO2006038675A1
Application number: PCT/JP2005/018553
Authority: WO
Inventors: Masayoshi Murakami
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2006-04-13
Also published as: EP1816434A1; US20080053190A1; EP1816434A4; US7533568B2; JP4980063B2; JPWO2006038675A1

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

明細書

角速度センサ

技術分野

[0001] 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ヨン等、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。

背景技術

[0002] 以下、従来の角速度センサについて説明する。

[0003] 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。

[0004] 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、コリオリカ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。

[0005] 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。

[0006] また、この振動子 1には、コリオリカに伴うアーム部 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。

[0007] 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つて、一対のアーム部 2の質量が完全に同等にならな、場合がある。

[0008] 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、コリオリカに起因してその振動方向と直交する方向にァーム部 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。

特許文献 1 :特開 2002— 243451号公報

発明の開示

[0009] 本発明は上記問題点を解決するものであって、コリオリカを受けずに発生するァ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。

[0010] 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カ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カを受けて歪む方向に駆動させる補正駆動手段と、コリオリカ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ァ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、ることを特徴とするものである。

[0011] この構成によれば、コリオリカ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、ァ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さる。

図面の簡単な説明

[0012] [図 1]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]図 2は、同角速度センサの振動子の平面図である。

[図 3]図 3は、図 2の I I線断面図である。

[図 4]図 4は、同角速度センサの振動子の側面図である。

[図 5]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]図 6は、図 5の II II線断面図である。 [図 7]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]図 8は、図 7の ΠΙ— ΠΙ線断面図である。

[図 9]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]図 10は、同角速度センサの一部透視斜視図である。

発明を実施するための最良の形態

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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、コリオリカに伴う振動子 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。

[0016] 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。

[0017] 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（一側極）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、う）と直交する方向（以下、 Y方向と、う）に所定の厚みを有して!/、る。

[0018] 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、コリオリカに伴うアーム部 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。 [0019] 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つている力補正駆動電極 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つている。

[0020] 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!、る。

[0021] 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、る。

[0022] 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。

[0023] 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、本来はコリオリカに起因して振動子 14が歪む方向、すなわち Y方向にコリオリカ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。

[0024] 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力なる波形を有する。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ちよい。

[0025] このように、本実施形態における角速度センサでは、コリオリカ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。

[0026] 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、に極性が異なるように配置してもよヽ。

[0027] 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（一側極 )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。

[0028] 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〖こ、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。

[0029] 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つている。 [0030] 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。

産業上の利用可能性

[0031] 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ヨン等、各種電子機器に用いることができる。

Claims

請求の範囲

[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カ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カを受けて歪む方向に駆動させる補正駆動手段と、コリオリカ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!ヽて、前記各ァ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力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、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ァ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、互いに極性が異つ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、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。