振動型角速度センサ
【課題】角速度の検出精度を高める。
【解決手段】錘と、前記錘を支持する弾性体と、ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で前記錘を２軸同時に励振する励振手段と、前記ｙ軸において前記錘の変位を検出するｙ軸変位検出手段と、前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記錘の変位を検出するｘ軸変位検出手段と、前記錘の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記錘のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する軸分離手段と、を備える振動型角速度センサ。
【解決手段】錘と、前記錘を支持する弾性体と、ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で前記錘を２軸同時に励振する励振手段と、前記ｙ軸において前記錘の変位を検出するｙ軸変位検出手段と、前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記錘の変位を検出するｘ軸変位検出手段と、前記錘の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記錘のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する軸分離手段と、を備える振動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動型角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される振動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサが知られている（例えば特許文献１参照）。振動型角速度センサでは、質点に速度を与えるために弾性体を振動させ、その振動方向に直交する方向に働くコリオリ力による変位を検出することによって角速度を検出する。質点に速度を与えるための振動を参照振動という。コリオリ力は速度に比例するため、角速度が生ずるとコリオリ力による変位が検出される方向においても振動が発生する。したがって、角速度が生じている状態では質点は直交する二軸の方向において振動する。従来の振動型角速度センサでは、一般に参照振動の方向の振動数とコリオリ力を検出する方向の振動数とを一致させることによって感度を高めている。２軸の振動数が一致した状態を双共振という。３軸の角速度成分を検出するためには、直交する２軸において参照振動が必要である。双共振する質点の参照振動は円運動又は楕円運動となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９４４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、直交する２軸の振動数を正確に一致させて双共振を実現することは製造技術上困難であるため、質点を円運動させることも楕円運動させることも困難である。
また、たとえ特定の１軸において弾性体を励振したとしても、製造公差等があるためコリオリ力に伴う変位が検出される他の軸においても角速度０の状態で振動してしまう。このような励振の他軸への漏れをメカニカルカップリングという。メカニカルカップリングにより漏れる振動の振幅はコリオリ力による振動の振幅よりも相当大きい。また一般に、３軸の角速度成分を検出するためには、励振される軸においてもコリオリ力に伴う変位が検出される。また、励振そのものの振幅やメカニカルカップリングによる励振の漏れの振幅はコリオリ力による振動の振幅よりもかなり大きい。したがって、質点の変位から参照振動成分と参照振動の漏れ成分を除去することが重要であるが、これらを完全には除去できないことが検出精度を高める上での大きな問題となっている。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するために創作されたものであって角速度の検出精度を高めることを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、錘と、前記錘を支持する弾性体と、ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で前記錘を２軸同時に励振する励振手段と、前記ｙ軸において前記錘の変位を検出するｙ軸変位検出手段と、前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記錘の変位を検出するｘ軸変位検出手段と、前記錘の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記錘のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する軸分離手段と、を備える。
【０００７】
第一振動数でｙ軸において励振すると同時に第二振動数でｚ軸において励振する場合、錘のｘ軸の変位の第一振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とｙ軸において錘を励振することによって生ずるｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とが抽出されるとともに、ｚ軸において錘を励振することによって生ずるｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とが除去される。ｚ軸周りの回転によってｘ軸方向に生ずる変位のコリオリ力成分は、ｚ軸周りの角速度を表す。またこの場合、錘のｘ軸の変位の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とｚ軸において錘を励振することによって生ずるｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分が抽出されるとともに、ｙ軸において錘を励振することによって生ずるｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とが除去される。ｙ軸周りの回転によってｘ軸方向に生ずる変位のコリオリ力成分はｙ軸周りの角速度を表す。また、錘のｙ軸の変位の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出することによって、ｘ軸周りの回転によってｙ軸に生ずるコリオリ力成分とｚ軸において質点を励振することによって生ずるｙ軸への参照振動の漏れ成分とが抽出されるとともに、ｙ軸において質点を励振することによって生ずる参照振動成分が除去される。ｘ軸周りの回転によってｙ軸方向に生ずる変位のコリオリ力成分はｘ軸周りの角速度を表す。したがって本発明によると、角速度の検出精度を高めることができる。
【０００８】
（２）ｘｙｚ各軸の変位における１軸分のコリオリ力成分と１軸分の参照振動の漏れ成分との分離はどのような方法を用いても良いが、錘の変位の特定の周波数成分においては位相差に着目することによって精度良くこれらを分離することが可能である。
すなわち上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、複素平面におけるベクトル演算によって、前記錘の前記ｘ軸の変位の前記第一振動数の成分から予め計測された前記第一振動数の参照振動の漏れ成分を除去し、前記錘の前記ｘ軸の変位の前記第二振動数の成分から予め計測された前記第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去し、前記錘の前記ｙ軸の変位の前記第一振動数の成分から予め計測された前記第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去する漏れ成分除去手段を備えてもよい。
参照振動の変位とコリオリ力による変位とでは９０度の位相差が生じるため、参照振動の漏れの変位とコリオリ力による変位とには位相差が生ずる。このため特定の軸方向の変位に含まれるコリオリ力成分と参照振動の漏れ成分とは位相が異なる。したがって複素平面におけるベクトル演算によって、参照振動の漏れ成分を精度良く除去して変位のコリオリ力成分を精度良く抽出することが可能である。すなわち本発明によると、角速度の検出精度をさらに高めることができる。
【０００９】
（３）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記ｙ軸変位検出手段によって検出される前記ｙ軸における前記錘の変位を表すアナログ検出信号と予め計測された前記ｙ軸の変位の前記第一振動数の参照振動成分を表すアナログ信号との差分を増幅し、前記錘のｙ軸の変位として前記軸分離手段へ出力する増幅手段を備えてもよい。
ｙ軸方向の変位の参照振動成分はｙ軸への参照振動の漏れ成分よりもｙ軸方向の変位のコリオリ力成分よりも遙かに大きい。本発明によると、デジタル信号に変換する前にｙ軸の変位の参照振動成分を除去してｙ軸方向の変位のコリオリ力成分を増幅するため、角速度の分解能を高めることができる。
【００１０】
（４）上記目的を達成するための振動型角速度検出方法は、ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で質点を２軸同時に励振し、前記ｙ軸において前記質点の変位を検出し、前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記質点の変位を検出し、前記質点の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記質点のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する、ことを含む。
本発明によると、角速度の検出精度を高めることができる。
【００１１】
尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。また請求項に記載された各手段の機能は、構成自体で機能が特定されるハードウェア資源、プログラムにより機能が特定されるハードウェア資源、又はそれらの組み合わせにより実現される。また、これら各手段の機能は、各々が物理的に互いに独立したハードウェア資源で実現されるものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａおよび図１Ｂは本発明の実施形態にかかる波形図。図１Ｃは本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図２】本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図３】図３Ａおよび図３Ｂは本発明の実施形態にかかる波形図。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図６】図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図７】図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは本発明の実施形態にかかるベクトル図。
【図８】図８Ａは本発明の実施形態にかかる斜視図。図８Ｂは本発明の実施形態にかかるブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．参照振動
直交する２軸において同時に参照振動を得るため、各軸の固有振動数に応じた互いに異なる振動数で直交する２軸において同時に質点が励振される。２軸の励振は同時に進行するため質点の軌跡は原理的には２次元の軌跡となる。ここで質点が励振される２軸の一方をｙ軸とし他方をｚ軸とし、ｙ軸及びｚ軸に直交する軸をｘ軸とし、ｙ軸における励振の振動数を第一振動数としｚ軸における励振の振動数を第二振動数とする。図１Ａおよび図１Ｂはｙ軸及びｚ軸について質点の変位に含まれる参照振動成分と時間の関係を示している。図１Ｃは図１Ａおよび図１Ｂをまとめて立体的に示した模式図である。ｙ軸、ｚ軸のそれぞれにおいて、固有振動数と励振の振動数とが一致するとき参照振動の振幅は極大になる。励振によって生ずる参照振動の振幅が大きいほど感度が高まる。したがって第一振動数は質点のｙ軸の固有振動数と近い値に設定される。また第二振動数は質点のｚ軸の固有振動数と近い値に設定される。
【００１４】
励振される２軸のそれぞれにおいて質点の固有振動数は異ならせることが好ましい。例えば錘を支持する弾性体は、両端が固定された２つの梁を十字形に結合し２つの梁が結合された部分に錘が結合される形態や、周囲全体が固定され中央部に錘が結合された膜の形態とする。このような形態の場合、２軸の固有振動数を異ならせるには、十字形に結合した同一形態の２つの梁に平行な平面に直交する軸と２つの梁の一方に平行な軸とにおいて錘を励振しても良いし、２つの梁の長さや幅や厚さを異ならせ２つの梁がそれぞれ延びる方向において錘を励振しても良い。あるいは、全体が固定される周囲が楕円や長方形や菱形である膜に平行で互いに直交する２軸において錘を励振しても良い。また例えば錘を長方形や楕円形の底面を有する柱体としてもよい。すなわち、弾性体の剛性に異方性を持たせ弾性体と平行な２軸において励振しても良いし、弾性体の剛性が等方性であっても弾性体と直交する軸と弾性体と平行な１軸とにおいて励振しても良いし、励振される２軸と平行な方向において錘の質量分布を異ならせても良い。
【００１５】
質点を構成する錘と弾性体とに製造公差がある以上は励振による参照振動が他軸に漏れることは不可避である。ｙ軸およびｚ軸において錘を励振すると図２および図３において破線で示すように各軸の参照振動が他軸に漏れる。励振による参照振動の他軸への漏れは、励振される軸と他軸との固有振動数の差が小さいほど大きい。したがって励振される２軸のそれぞれにおいて錘と弾性体とによって構成される質点の固有振動数は異ならせることが好ましい。
【００１６】
錘を励振する手段は、錘を支持する弾性体と一体の圧電素子、錘と一体の電極を可動電極とするキャパシタ、錘と一体の磁性体と磁気回路を構成する電磁石などからそれぞれ構成されるｙ軸駆動手段とｚ軸駆動手段と、これらの駆動手段を制御する回路として構成される駆動制御手段とで構成される。
【００１７】
２．コリオリ力
次式（１）によって示されるコリオリ力Ｆは、参照振動の軸と回転軸とに直交する軸と平行な方向に、参照振動の速度ｖと角速度Ωと質量ｍとに比例した大きさで作用する。
Ｆ＝２ｍΩｖ・・・（１）
したがって特定の１軸について励振されている質点についてその軸に直交する軸における変位を検出すると、励振の軸と変位が検出されている軸とに直交する角速度の大きさと向きを特定できる。
【００１８】
振動する質点の速度に応じたコリオリ力は振動する。したがって参照振動の振動数とコリオリ力に伴う質点の変位の振動数とは一致し位相がずれる。コリオリ力による変位の振幅は、その変位が検出される軸における質点の固有振動数と励振される軸における質点の固有振動数との関数であり、具体的にはこれらの２軸の振幅倍率の積に比例する。図４Ａはｙ軸の励振によるｙ軸の参照振動によって生ずるコリオリ力に伴う質点の変位と時間の関係を模式的に表している。ｙ軸の振動を参照振動とするとき、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力によってｚ軸において質点が変位し、ｚ軸周りの回転に伴うコリオリ力によってｘ軸において質点が変位する。図４Ｂはｚ軸の励振によるｚ軸の参照振動によって生ずるコリオリ力にともなう質点の変位と時間の関係を模式的に表している。ｚ軸の振動を参照振動とするとき、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力によってｙ軸において質点が変位し、ｙ軸周りの回転にともなうコリオリ力によってｘ軸において質点が変位する。
【００１９】
錘と弾性体に相当する質点の変位を検出する手段は、錘を支持する弾性体と一体の圧電素子またはピエゾ抵抗素子、錘と一体の電極を可動電極とするキャパシタ、錘と一体の磁性体と磁気回路を構成する電磁石などでそれぞれ構成されるｘ軸変位検出手段とｙ軸変位検出手段とで構成される。
【００２０】
３．質点の変位の周波数成分の抽出
ｙ軸の励振とｚ軸の励振は同時に印加されるため、ｘ軸における質点の変位と時間の関係は図５Ａに示すとおりとなる。すなわちｘ軸における質点の変位は、ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分と、ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分と、ｚ軸周りの回転のコリオリ力による成分と、ｙ軸周りの回転のコリオリ力による成分との和である。また、ｙ軸における質点の変位と時間の関係は図５Ｂに示すとおりとなる。すなわちｙ軸における質点の変位は、ｙ軸の参照振動の成分と、ｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分と、ｘ軸周りの回転のコリオリ力による成分との和である。本実施形態においては、ｘｙｚ軸周りのコリオリ力を個別に特定するため、離散フーリエ変換と周波数成分の複素平面におけるベクトル演算が用いられる。
【００２１】
図５に示すように、ｙ軸の参照振動の振動数と、ｘ軸周りの回転によってｚ軸に生ずるコリオリ力成分の振動数と、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分の振動数と、ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分の振動数は、第一振動数である。また、ｚ軸の参照振動の振動数と、ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分の振動数と、ｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分の振動数と、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分の振動数とは、第二振動数である。
【００２２】
したがって、ｘ軸における質点の変位の第一振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、図６Ａに示すように、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とが抽出されるとともに、ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とが除去される。
【００２３】
また、ｘ軸における質点の変位の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、図６Ｂに示すように、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分が抽出されるとともに、ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とが除去される。
【００２４】
また、ｙ軸における質点の変位の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、図６Ｃに示すように、ｘ軸周りの回転によってｙ軸に生ずるコリオリ力成分とｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分とが抽出されるとともに、ｙ軸の参照振動成分が除去される。
【００２５】
ところで、離散フーリエ変換の前には質点の変位を表す信号をアナログからデジタルに変換することが必要である。しかし、ｙ軸の参照振動成分はｘ軸周りの回転によって生ずるコリオリ力成分に比べて遙かに大きい。したがって参照振動成分を含んだ状態でｙ軸の変位を表す信号をアナログからデジタルに変換すると、角速度の分解能が低くなる。そこで、ｙ軸における質点の変位を表す信号をアナログからデジタルに変換する前にｙ軸の参照振動成分を除去しておくことが望ましい。ｙ軸の参照振動成分は、角速度０の状態においてｙ軸においてのみ質点を励振するときにｙ軸における質点の変位として計測される。すなわちｙ軸において質点を励振することによって生ずるｙ軸の参照振動成分は予め計測しておくことができる。したがって、その成分もしくはその成分の逆位相に相当するアナログ信号をアナログ参照信号として出力する回路をセンサに組み込むことができる。
【００２６】
４．参照振動の漏れ成分の除去
図６Ａに示すように、ｘ軸における質点の変位の第一振動数の成分には、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分と、ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とが含まれており、これらの位相は異なり振動数は一致する。したがって、複素平面におけるベクトル演算によって、ｘ軸における質点の変位の第一振動数の成分からｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分を除去するとともに、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分を抽出することができる。ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分は、角速度０の状態においてｙ軸においてのみ質点を励振するときにｘ軸における質点の変位として計測される。そこでｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分を予め計測し、これに相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させるための情報をセンサのメモリに記憶することができる。そして複素平面におけるベクトル演算によってｘ軸における質点の変位の第一振動数の成分Ｓｘ１からｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分ＳＬｙｘを除去する。その結果、図７Ａに示すようにｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分ＳＣＺが得られる。コリオリ力成分ＳＣＺの振幅はｚ軸周りの角速度の大きさを表す。ｚ軸周りの角速度の向き（正負）は、コリオリ力成分ＳＣＺの実数部の正負、虚数部の正負、位相、あるいは、ＳＬＹとＳｘ１との位相差、ＳＣＺとＳＬｙｘとの位相差のいずれかによって特定される。
【００２７】
ｘ軸における質点の変位の第二振動数の成分には、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分と、ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とが含まれており、これらの位相は異なり振動数は一致する。したがって、複素平面におけるベクトル演算によって、ｘ軸における質点の変位の第二振動数の成分からｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分を除去するとともに、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分を抽出することができる。ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分は、角速度０の状態においてｚ軸においてのみ質点を励振するときにｘ軸における質点の変位として計測される。そこでｚ軸において質点を励振することによって生ずるｘ軸への参照振動の漏れ成分を予め計測し、これに相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させるための情報をセンサのメモリに記憶することができる。そして複素平面におけるベクトル演算によってｘ軸における質点の変位の第二振動数の成分Ｓｘ２からｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分ＳＬｚｘを除去する。その結果、図７Ｂに示すようにｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分ＳＣｙが得られる。コリオリ力成分ＳＣｙの振幅はｙ軸周りの角速度の大きさを表す。ｙ軸周りの角速度の向き（正負）は、ＳＣｙの実数部の正負、虚数部の正負、位相、あるいは、Ｓｘ２とＳＬｚｘとの位相差、ＳＣｙとＳＬｚｘとの位相差のいずれかによって特定される。
【００２８】
ｙ軸における質点の変位の第二振動数の成分には、ｘ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分と、ｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分とが含まれており、これらの位相は異なり振動数は一致する。したがって、複素平面におけるベクトル演算によって、ｙ軸における質点の変位の第二振動数の成分からｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分を除去するとともに、ｘ軸周りの回転によってｙ軸に生ずるコリオリ力成分を抽出することができる。ｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分は、角速度０の状態においてｚ軸においてのみ質点を励振するときにｙ軸における質点の変位として計測される。そこでｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分を予め計測し、これに相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させるための情報をセンサのメモリに記憶することができる。そして複素平面におけるベクトル演算によって、ｙ軸における質点の変位の第二振動数の成分Ｓｙからｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分ＳＬｚｙを除去する。その結果、図７Ｃに示すようにｘ軸周りの回転によってｙ軸に生ずるコリオリ力成分ＳＣｘが得られる。コリオリ力成分ＳＣｘの振幅は、ｘ軸周りの角速度の大きさを表す。ｘ軸周りの角速度の向き（正負）は、ＳＣｘの実数部の正負、虚数部の正負、位相、あるいはＳｙとＳＬｚｙとの位相差、ＳＣｘとＳＬｚｙとの位相差のいずれかによって特定される。
【００２９】
５．実施例
以上述べた形態によってｘｙｚ各軸の周りの角速度の成分を検出するための具体的構成例を図８に示す。図８Ａは振動型角速度センサの機械的構成を示し、図８Ｂは振動型角速度センサの電気的構成を示している。ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサは、単結晶シリコン、ガラス等を母材として構成されるダイ１００と、ダイ１００に形成されている駆動手段１３、１５及び検出手段１４，１６に接続される駆動検出回路２００とを備えている。
【００３０】
ダイ１００は、公知の半導体製造プロセスを用いて製造されるものであって、単結晶シリコン層、二酸化シリコン層、白金層、圧電層等を含む積層構造体である。ダイ１００には、矩形枠形態の支持部１０と、十字形に結合された２つの梁からなる弾性体１１と、弾性体１１の中央部に結合している四角柱体の錘１２と、弾性体１１の表面に結合している複数の圧電素子１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂとが形成されている。なお、圧電素子１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂと駆動検出回路２００とを接続するための導線や端子は図８Ａにおいて省略されている。ダイ１００とｘｙｚ軸との関係は図８Ａに示すとおりであって、弾性体１１を構成している２つの梁が延びている方向にｘ軸およびｙ軸が定義される。
【００３１】
十字形の弾性体１１の４つの端部は支持部１０と結合している。錘１２は弾性体１１によって支持部１０の内側に支持されている。弾性体１１の質量は錘１２の質量に比べて無視できるほどに小さい。弾性体１１と一体に設けられた圧電素子１３ａ，１３ｂ、１５ａ，１５ｂが弾性体１１とともに歪むことによって錘１２が変位する。錘１２が変位することによって弾性体１１と一体に設けられた圧電素子１４ａ，１４ｂ、１６ａ，１６ｂが弾性体１１とともに歪む。錘１２を間に挟んでｘ軸方向の両側において弾性体１１に設けられた圧電素子１４ａ、１４ｂはｘ軸における錘１２の重心の変位に応じて歪む。すなわち圧電素子１４ａ、１４ｂはｘ軸変位検出手段１４を構成する。錘１２を間に挟んでｙ軸方向の両側において弾性体１１に設けられた圧電素子１６ａ、１６ｂはｙ軸における錘１２の重心の変位に応じて歪み、ｙ軸における錘１２の変位を表すアナログ検出信号を出力する。すなわち圧電素子１６ａ、１６ｂはｙ軸変位検出手段１６を構成する。
【００３２】
駆動検出回路２００はダイ１００に形成されても良いし、ダイ１００とともに１つのパッケージに収容される別のダイに形成されても良いし、ダイ１００が収容されるパッケージとは別のパッケージに収容されるダイに形成されても良い。駆動検出回路２００は駆動制御手段２０、アナログ参照信号発生手段２１、デジタル参照信号発生手段２２、加算器２３、増幅器２４ａ，２４ｂ，Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２５ａ、２５ｂ、離散フーリエ変換手段（ＤＦＴ）２６、漏れ成分除去手段２７、変換手段２８などを構成している。離散フーリエ変換手段（ＤＦＴ）２６、デジタル参照信号発生手段２２、漏れ成分除去手段２７、変換手段２８等のデジタル信号処理部はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって構成しても良いし、特定のプログラムを組み込んだ汎用マイクロコンピュータによって構成しても良い。
【００３３】
駆動制御手段２０は弾性体１１のｙ軸方向の両端部に設けられた圧電素子１５ａ、１５ｂに第一振動数において振動する駆動信号を位相をずらして印加することによって錘１２をｙ軸において第一振動数で励振する。駆動制御手段２０は弾性体１１のｘ軸方向の両端部に設けられた圧電素子１３ａ、１３ｂに第二振動数において振動する駆動信号を位相を一致させて印加することによって錘１２をｚ軸において第二振動数で励振する。これらの駆動信号はｘ軸変位検出手段１４とｙ軸変位検出手段１６の出力に基づいて生成される。ｙ軸駆動手段１５を構成する圧電素子１５ａ、１５ｂとｚ軸駆動手段１３を構成する圧電素子１３ａ、１３ｂと駆動制御手段２０とは励振手段に相当する。
【００３４】
ここに錘１２の固有振動数と励振の振動数の一例を記す。
ｘ軸・・・固有振動数：１３．７４ｋＨｚ
ｙ軸・・・固有振動数：１３．５８ｋＨｚ、第一振動数：１３．３１７ｋＨｚ
ｚ軸・・・固有振動数：１３．７４ｋＨｚ、第二振動数：１３．９５１ｋＨｚ
【００３５】
ｘ軸変位検出手段１４の出力は増幅器２４ａによって増幅されてアナログデジタル変換器２５ｂに入力される。
ｙ軸変位検出手段１６の出力とアナログ参照信号発生手段２１の出力とは加算器２３に入力される。アナログ参照信号発生手段２１は、ｙ軸において質点を励振することによって生じて予め計測されたｙ軸の変位の参照振動成分の逆位相に相当するアナログ信号をアナログ参照信号として出力する回路である。ｙ軸変位検出手段１６の出力とアナログ参照信号発生手段２１の出力とが加算器２３によって加算されることによって、ｙ軸における錘１２の変位を表すアナログ検出信号とｙ軸の変位の第一振動数の参照振動成分を表すアナログ信号との差分が得られる。この差分は増幅器２４ａによって増幅されてアナログデジタル変換器２５ａに入力される。すなわち、ｙ軸における錘１２の変位を表すアナログ検出信号からｙ軸の変位の第一振動数の参照振動成分が除去されることによって残った成分であるｚ軸参照振動のｙ軸への漏れ成分とｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分とが増幅され、アナログデジタル変換器２５ａによってデジタル信号に変換される。
【００３６】
離散フーリエ変換手段２６は、アナログデジタル変換器２５ａからの入力の第一振動数の成分と第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によってそれぞれ導出するとともに、アナログデジタル変換器２５ｂからの入力の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する。離散フーリエ変換手段２６は、離散フーリエ変換の前に例えば１０個のデータの同期加算平均を導出することによってノイズを低減することが好ましい。
【００３７】
ここに離散フーリエ変換の条件の一例を記す。
サンプリング周波数：８１．１６９ｋＨｚ
サンプリング周期：１２．３μｓｅｃ
サンプル数：１２８
サンプリング時間：サンプリング周期×サンプル数≒１．５７ｍｓｅｃ
周波数分解能：≒０．６２ｋＨｚ
【００３８】
漏れ成分除去手段２７には離散フーリエ変換手段２６とデジタル参照信号発生手段２２の出力が入力される。デジタル参照信号発生手段２２は、ｙ軸において錘１２を励振することによって生じて予め計測されたｘ軸への参照振動の漏れ成分に相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させる。また、デジタル参照信号発生手段２２は、ｚ軸において錘１２を励振することによって生じて予め計測されたｘ軸およびｙ軸への参照振動の漏れ成分に相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させる。漏れ成分除去手段２７は、複素平面におけるベクトル演算によって、錘１２のｘ軸の変位の第一振動数の成分から第一振動数の参照振動の漏れ成分を除去する。その結果、ｚ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分が得られる。また、漏れ成分除去手段２７は、複素平面におけるベクトル演算によって、錘１２のｘ軸の変位の第二振動数の成分から第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去する。その結果、ｙ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分が得られる。また、漏れ成分除去手段２７は、複素平面におけるベクトル演算によって、錘１２のｙ軸の変位の第二振動数の成分からｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分を除去する。その結果、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分が得られる。
【００３９】
変換手段２８には、漏れ成分除去手段２７の出力が入力される。変換手段２８は、入力に基づいてｘｙｚ軸周りの角速度の大きさと向きとを導出する。すなわち、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分からｘ軸周りの角速度の大きさと向きを導出する。またｙ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分からｙ軸周りの角速度の大きさと向きを導出する。またｚ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分からｚ軸周りの角速度の大きさと向きを導出する。
【００４０】
以上説明した本発明の実施形態によると、直交する２軸において励振の振動数を異ならせ、離散フーリエ変換によって励振の振動数に応じた２種類の振動数の成分を抽出し、それぞれの振動数の成分について複素平面におけるベクトル演算を行って漏れ成分を除去するため、精度良く角速度を検出することができる。またアナログ信号からデジタル信号に変換する前に参照振動の成分除去するため、高い分解能で角速度を検出することができる。
【００４１】
６．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４２】
１０：支持部、１１：弾性体、１２：錘、１３：ｘ軸駆動手段、１３ａ：圧電素子、１３ｂ：圧電素子、１４：ｘ軸変位検出手段、１４ａ：圧電素子、１４ｂ：圧電素子、１５：ｙ軸駆動手段、１５ａ：圧電素子、１５ｂ：圧電素子、１６：ｙ軸変位検出手段、１６ａ：圧電素子、１６ｂ：圧電素子、２０：駆動制御手段、２１：アナログ参照信号発生手段、２２：デジタル参照信号発生手段、２３：加算器、２４ａ：増幅器、２４ｂ：増幅器、２５ａ：アナログデジタル変換器、２５ｂ：アナログデジタル変換器、２６：離散フーリエ変換手段、２７：漏れ成分除去手段、２８：変換手段、１００：ダイ、２００：駆動検出回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動型角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される振動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサが知られている（例えば特許文献１参照）。振動型角速度センサでは、質点に速度を与えるために弾性体を振動させ、その振動方向に直交する方向に働くコリオリ力による変位を検出することによって角速度を検出する。質点に速度を与えるための振動を参照振動という。コリオリ力は速度に比例するため、角速度が生ずるとコリオリ力による変位が検出される方向においても振動が発生する。したがって、角速度が生じている状態では質点は直交する二軸の方向において振動する。従来の振動型角速度センサでは、一般に参照振動の方向の振動数とコリオリ力を検出する方向の振動数とを一致させることによって感度を高めている。２軸の振動数が一致した状態を双共振という。３軸の角速度成分を検出するためには、直交する２軸において参照振動が必要である。双共振する質点の参照振動は円運動又は楕円運動となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９４４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、直交する２軸の振動数を正確に一致させて双共振を実現することは製造技術上困難であるため、質点を円運動させることも楕円運動させることも困難である。
また、たとえ特定の１軸において弾性体を励振したとしても、製造公差等があるためコリオリ力に伴う変位が検出される他の軸においても角速度０の状態で振動してしまう。このような励振の他軸への漏れをメカニカルカップリングという。メカニカルカップリングにより漏れる振動の振幅はコリオリ力による振動の振幅よりも相当大きい。また一般に、３軸の角速度成分を検出するためには、励振される軸においてもコリオリ力に伴う変位が検出される。また、励振そのものの振幅やメカニカルカップリングによる励振の漏れの振幅はコリオリ力による振動の振幅よりもかなり大きい。したがって、質点の変位から参照振動成分と参照振動の漏れ成分を除去することが重要であるが、これらを完全には除去できないことが検出精度を高める上での大きな問題となっている。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するために創作されたものであって角速度の検出精度を高めることを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、錘と、前記錘を支持する弾性体と、ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で前記錘を２軸同時に励振する励振手段と、前記ｙ軸において前記錘の変位を検出するｙ軸変位検出手段と、前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記錘の変位を検出するｘ軸変位検出手段と、前記錘の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記錘のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する軸分離手段と、を備える。
【０００７】
第一振動数でｙ軸において励振すると同時に第二振動数でｚ軸において励振する場合、錘のｘ軸の変位の第一振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とｙ軸において錘を励振することによって生ずるｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とが抽出されるとともに、ｚ軸において錘を励振することによって生ずるｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とが除去される。ｚ軸周りの回転によってｘ軸方向に生ずる変位のコリオリ力成分は、ｚ軸周りの角速度を表す。またこの場合、錘のｘ軸の変位の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とｚ軸において錘を励振することによって生ずるｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分が抽出されるとともに、ｙ軸において錘を励振することによって生ずるｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とが除去される。ｙ軸周りの回転によってｘ軸方向に生ずる変位のコリオリ力成分はｙ軸周りの角速度を表す。また、錘のｙ軸の変位の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出することによって、ｘ軸周りの回転によってｙ軸に生ずるコリオリ力成分とｚ軸において質点を励振することによって生ずるｙ軸への参照振動の漏れ成分とが抽出されるとともに、ｙ軸において質点を励振することによって生ずる参照振動成分が除去される。ｘ軸周りの回転によってｙ軸方向に生ずる変位のコリオリ力成分はｘ軸周りの角速度を表す。したがって本発明によると、角速度の検出精度を高めることができる。
【０００８】
（２）ｘｙｚ各軸の変位における１軸分のコリオリ力成分と１軸分の参照振動の漏れ成分との分離はどのような方法を用いても良いが、錘の変位の特定の周波数成分においては位相差に着目することによって精度良くこれらを分離することが可能である。
すなわち上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、複素平面におけるベクトル演算によって、前記錘の前記ｘ軸の変位の前記第一振動数の成分から予め計測された前記第一振動数の参照振動の漏れ成分を除去し、前記錘の前記ｘ軸の変位の前記第二振動数の成分から予め計測された前記第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去し、前記錘の前記ｙ軸の変位の前記第一振動数の成分から予め計測された前記第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去する漏れ成分除去手段を備えてもよい。
参照振動の変位とコリオリ力による変位とでは９０度の位相差が生じるため、参照振動の漏れの変位とコリオリ力による変位とには位相差が生ずる。このため特定の軸方向の変位に含まれるコリオリ力成分と参照振動の漏れ成分とは位相が異なる。したがって複素平面におけるベクトル演算によって、参照振動の漏れ成分を精度良く除去して変位のコリオリ力成分を精度良く抽出することが可能である。すなわち本発明によると、角速度の検出精度をさらに高めることができる。
【０００９】
（３）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記ｙ軸変位検出手段によって検出される前記ｙ軸における前記錘の変位を表すアナログ検出信号と予め計測された前記ｙ軸の変位の前記第一振動数の参照振動成分を表すアナログ信号との差分を増幅し、前記錘のｙ軸の変位として前記軸分離手段へ出力する増幅手段を備えてもよい。
ｙ軸方向の変位の参照振動成分はｙ軸への参照振動の漏れ成分よりもｙ軸方向の変位のコリオリ力成分よりも遙かに大きい。本発明によると、デジタル信号に変換する前にｙ軸の変位の参照振動成分を除去してｙ軸方向の変位のコリオリ力成分を増幅するため、角速度の分解能を高めることができる。
【００１０】
（４）上記目的を達成するための振動型角速度検出方法は、ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で質点を２軸同時に励振し、前記ｙ軸において前記質点の変位を検出し、前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記質点の変位を検出し、前記質点の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記質点のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する、ことを含む。
本発明によると、角速度の検出精度を高めることができる。
【００１１】
尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。また請求項に記載された各手段の機能は、構成自体で機能が特定されるハードウェア資源、プログラムにより機能が特定されるハードウェア資源、又はそれらの組み合わせにより実現される。また、これら各手段の機能は、各々が物理的に互いに独立したハードウェア資源で実現されるものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａおよび図１Ｂは本発明の実施形態にかかる波形図。図１Ｃは本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図２】本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図３】図３Ａおよび図３Ｂは本発明の実施形態にかかる波形図。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図６】図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは本発明の実施形態にかかる模式的な波形図。
【図７】図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは本発明の実施形態にかかるベクトル図。
【図８】図８Ａは本発明の実施形態にかかる斜視図。図８Ｂは本発明の実施形態にかかるブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．参照振動
直交する２軸において同時に参照振動を得るため、各軸の固有振動数に応じた互いに異なる振動数で直交する２軸において同時に質点が励振される。２軸の励振は同時に進行するため質点の軌跡は原理的には２次元の軌跡となる。ここで質点が励振される２軸の一方をｙ軸とし他方をｚ軸とし、ｙ軸及びｚ軸に直交する軸をｘ軸とし、ｙ軸における励振の振動数を第一振動数としｚ軸における励振の振動数を第二振動数とする。図１Ａおよび図１Ｂはｙ軸及びｚ軸について質点の変位に含まれる参照振動成分と時間の関係を示している。図１Ｃは図１Ａおよび図１Ｂをまとめて立体的に示した模式図である。ｙ軸、ｚ軸のそれぞれにおいて、固有振動数と励振の振動数とが一致するとき参照振動の振幅は極大になる。励振によって生ずる参照振動の振幅が大きいほど感度が高まる。したがって第一振動数は質点のｙ軸の固有振動数と近い値に設定される。また第二振動数は質点のｚ軸の固有振動数と近い値に設定される。
【００１４】
励振される２軸のそれぞれにおいて質点の固有振動数は異ならせることが好ましい。例えば錘を支持する弾性体は、両端が固定された２つの梁を十字形に結合し２つの梁が結合された部分に錘が結合される形態や、周囲全体が固定され中央部に錘が結合された膜の形態とする。このような形態の場合、２軸の固有振動数を異ならせるには、十字形に結合した同一形態の２つの梁に平行な平面に直交する軸と２つの梁の一方に平行な軸とにおいて錘を励振しても良いし、２つの梁の長さや幅や厚さを異ならせ２つの梁がそれぞれ延びる方向において錘を励振しても良い。あるいは、全体が固定される周囲が楕円や長方形や菱形である膜に平行で互いに直交する２軸において錘を励振しても良い。また例えば錘を長方形や楕円形の底面を有する柱体としてもよい。すなわち、弾性体の剛性に異方性を持たせ弾性体と平行な２軸において励振しても良いし、弾性体の剛性が等方性であっても弾性体と直交する軸と弾性体と平行な１軸とにおいて励振しても良いし、励振される２軸と平行な方向において錘の質量分布を異ならせても良い。
【００１５】
質点を構成する錘と弾性体とに製造公差がある以上は励振による参照振動が他軸に漏れることは不可避である。ｙ軸およびｚ軸において錘を励振すると図２および図３において破線で示すように各軸の参照振動が他軸に漏れる。励振による参照振動の他軸への漏れは、励振される軸と他軸との固有振動数の差が小さいほど大きい。したがって励振される２軸のそれぞれにおいて錘と弾性体とによって構成される質点の固有振動数は異ならせることが好ましい。
【００１６】
錘を励振する手段は、錘を支持する弾性体と一体の圧電素子、錘と一体の電極を可動電極とするキャパシタ、錘と一体の磁性体と磁気回路を構成する電磁石などからそれぞれ構成されるｙ軸駆動手段とｚ軸駆動手段と、これらの駆動手段を制御する回路として構成される駆動制御手段とで構成される。
【００１７】
２．コリオリ力
次式（１）によって示されるコリオリ力Ｆは、参照振動の軸と回転軸とに直交する軸と平行な方向に、参照振動の速度ｖと角速度Ωと質量ｍとに比例した大きさで作用する。
Ｆ＝２ｍΩｖ・・・（１）
したがって特定の１軸について励振されている質点についてその軸に直交する軸における変位を検出すると、励振の軸と変位が検出されている軸とに直交する角速度の大きさと向きを特定できる。
【００１８】
振動する質点の速度に応じたコリオリ力は振動する。したがって参照振動の振動数とコリオリ力に伴う質点の変位の振動数とは一致し位相がずれる。コリオリ力による変位の振幅は、その変位が検出される軸における質点の固有振動数と励振される軸における質点の固有振動数との関数であり、具体的にはこれらの２軸の振幅倍率の積に比例する。図４Ａはｙ軸の励振によるｙ軸の参照振動によって生ずるコリオリ力に伴う質点の変位と時間の関係を模式的に表している。ｙ軸の振動を参照振動とするとき、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力によってｚ軸において質点が変位し、ｚ軸周りの回転に伴うコリオリ力によってｘ軸において質点が変位する。図４Ｂはｚ軸の励振によるｚ軸の参照振動によって生ずるコリオリ力にともなう質点の変位と時間の関係を模式的に表している。ｚ軸の振動を参照振動とするとき、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力によってｙ軸において質点が変位し、ｙ軸周りの回転にともなうコリオリ力によってｘ軸において質点が変位する。
【００１９】
錘と弾性体に相当する質点の変位を検出する手段は、錘を支持する弾性体と一体の圧電素子またはピエゾ抵抗素子、錘と一体の電極を可動電極とするキャパシタ、錘と一体の磁性体と磁気回路を構成する電磁石などでそれぞれ構成されるｘ軸変位検出手段とｙ軸変位検出手段とで構成される。
【００２０】
３．質点の変位の周波数成分の抽出
ｙ軸の励振とｚ軸の励振は同時に印加されるため、ｘ軸における質点の変位と時間の関係は図５Ａに示すとおりとなる。すなわちｘ軸における質点の変位は、ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分と、ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分と、ｚ軸周りの回転のコリオリ力による成分と、ｙ軸周りの回転のコリオリ力による成分との和である。また、ｙ軸における質点の変位と時間の関係は図５Ｂに示すとおりとなる。すなわちｙ軸における質点の変位は、ｙ軸の参照振動の成分と、ｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分と、ｘ軸周りの回転のコリオリ力による成分との和である。本実施形態においては、ｘｙｚ軸周りのコリオリ力を個別に特定するため、離散フーリエ変換と周波数成分の複素平面におけるベクトル演算が用いられる。
【００２１】
図５に示すように、ｙ軸の参照振動の振動数と、ｘ軸周りの回転によってｚ軸に生ずるコリオリ力成分の振動数と、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分の振動数と、ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分の振動数は、第一振動数である。また、ｚ軸の参照振動の振動数と、ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分の振動数と、ｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分の振動数と、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分の振動数とは、第二振動数である。
【００２２】
したがって、ｘ軸における質点の変位の第一振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、図６Ａに示すように、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とが抽出されるとともに、ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とが除去される。
【００２３】
また、ｘ軸における質点の変位の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、図６Ｂに示すように、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分が抽出されるとともに、ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分とが除去される。
【００２４】
また、ｙ軸における質点の変位の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出すると、図６Ｃに示すように、ｘ軸周りの回転によってｙ軸に生ずるコリオリ力成分とｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分とが抽出されるとともに、ｙ軸の参照振動成分が除去される。
【００２５】
ところで、離散フーリエ変換の前には質点の変位を表す信号をアナログからデジタルに変換することが必要である。しかし、ｙ軸の参照振動成分はｘ軸周りの回転によって生ずるコリオリ力成分に比べて遙かに大きい。したがって参照振動成分を含んだ状態でｙ軸の変位を表す信号をアナログからデジタルに変換すると、角速度の分解能が低くなる。そこで、ｙ軸における質点の変位を表す信号をアナログからデジタルに変換する前にｙ軸の参照振動成分を除去しておくことが望ましい。ｙ軸の参照振動成分は、角速度０の状態においてｙ軸においてのみ質点を励振するときにｙ軸における質点の変位として計測される。すなわちｙ軸において質点を励振することによって生ずるｙ軸の参照振動成分は予め計測しておくことができる。したがって、その成分もしくはその成分の逆位相に相当するアナログ信号をアナログ参照信号として出力する回路をセンサに組み込むことができる。
【００２６】
４．参照振動の漏れ成分の除去
図６Ａに示すように、ｘ軸における質点の変位の第一振動数の成分には、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分と、ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とが含まれており、これらの位相は異なり振動数は一致する。したがって、複素平面におけるベクトル演算によって、ｘ軸における質点の変位の第一振動数の成分からｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分を除去するとともに、ｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分を抽出することができる。ｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分は、角速度０の状態においてｙ軸においてのみ質点を励振するときにｘ軸における質点の変位として計測される。そこでｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分を予め計測し、これに相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させるための情報をセンサのメモリに記憶することができる。そして複素平面におけるベクトル演算によってｘ軸における質点の変位の第一振動数の成分Ｓｘ１からｙ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分ＳＬｙｘを除去する。その結果、図７Ａに示すようにｚ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分ＳＣＺが得られる。コリオリ力成分ＳＣＺの振幅はｚ軸周りの角速度の大きさを表す。ｚ軸周りの角速度の向き（正負）は、コリオリ力成分ＳＣＺの実数部の正負、虚数部の正負、位相、あるいは、ＳＬＹとＳｘ１との位相差、ＳＣＺとＳＬｙｘとの位相差のいずれかによって特定される。
【００２７】
ｘ軸における質点の変位の第二振動数の成分には、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分と、ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分とが含まれており、これらの位相は異なり振動数は一致する。したがって、複素平面におけるベクトル演算によって、ｘ軸における質点の変位の第二振動数の成分からｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分を除去するとともに、ｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分を抽出することができる。ｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分は、角速度０の状態においてｚ軸においてのみ質点を励振するときにｘ軸における質点の変位として計測される。そこでｚ軸において質点を励振することによって生ずるｘ軸への参照振動の漏れ成分を予め計測し、これに相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させるための情報をセンサのメモリに記憶することができる。そして複素平面におけるベクトル演算によってｘ軸における質点の変位の第二振動数の成分Ｓｘ２からｚ軸の参照振動のｘ軸への漏れ成分ＳＬｚｘを除去する。その結果、図７Ｂに示すようにｙ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分ＳＣｙが得られる。コリオリ力成分ＳＣｙの振幅はｙ軸周りの角速度の大きさを表す。ｙ軸周りの角速度の向き（正負）は、ＳＣｙの実数部の正負、虚数部の正負、位相、あるいは、Ｓｘ２とＳＬｚｘとの位相差、ＳＣｙとＳＬｚｘとの位相差のいずれかによって特定される。
【００２８】
ｙ軸における質点の変位の第二振動数の成分には、ｘ軸周りの回転によってｘ軸に生ずるコリオリ力成分と、ｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分とが含まれており、これらの位相は異なり振動数は一致する。したがって、複素平面におけるベクトル演算によって、ｙ軸における質点の変位の第二振動数の成分からｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分を除去するとともに、ｘ軸周りの回転によってｙ軸に生ずるコリオリ力成分を抽出することができる。ｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分は、角速度０の状態においてｚ軸においてのみ質点を励振するときにｙ軸における質点の変位として計測される。そこでｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分を予め計測し、これに相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させるための情報をセンサのメモリに記憶することができる。そして複素平面におけるベクトル演算によって、ｙ軸における質点の変位の第二振動数の成分Ｓｙからｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分ＳＬｚｙを除去する。その結果、図７Ｃに示すようにｘ軸周りの回転によってｙ軸に生ずるコリオリ力成分ＳＣｘが得られる。コリオリ力成分ＳＣｘの振幅は、ｘ軸周りの角速度の大きさを表す。ｘ軸周りの角速度の向き（正負）は、ＳＣｘの実数部の正負、虚数部の正負、位相、あるいはＳｙとＳＬｚｙとの位相差、ＳＣｘとＳＬｚｙとの位相差のいずれかによって特定される。
【００２９】
５．実施例
以上述べた形態によってｘｙｚ各軸の周りの角速度の成分を検出するための具体的構成例を図８に示す。図８Ａは振動型角速度センサの機械的構成を示し、図８Ｂは振動型角速度センサの電気的構成を示している。ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサは、単結晶シリコン、ガラス等を母材として構成されるダイ１００と、ダイ１００に形成されている駆動手段１３、１５及び検出手段１４，１６に接続される駆動検出回路２００とを備えている。
【００３０】
ダイ１００は、公知の半導体製造プロセスを用いて製造されるものであって、単結晶シリコン層、二酸化シリコン層、白金層、圧電層等を含む積層構造体である。ダイ１００には、矩形枠形態の支持部１０と、十字形に結合された２つの梁からなる弾性体１１と、弾性体１１の中央部に結合している四角柱体の錘１２と、弾性体１１の表面に結合している複数の圧電素子１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂとが形成されている。なお、圧電素子１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂと駆動検出回路２００とを接続するための導線や端子は図８Ａにおいて省略されている。ダイ１００とｘｙｚ軸との関係は図８Ａに示すとおりであって、弾性体１１を構成している２つの梁が延びている方向にｘ軸およびｙ軸が定義される。
【００３１】
十字形の弾性体１１の４つの端部は支持部１０と結合している。錘１２は弾性体１１によって支持部１０の内側に支持されている。弾性体１１の質量は錘１２の質量に比べて無視できるほどに小さい。弾性体１１と一体に設けられた圧電素子１３ａ，１３ｂ、１５ａ，１５ｂが弾性体１１とともに歪むことによって錘１２が変位する。錘１２が変位することによって弾性体１１と一体に設けられた圧電素子１４ａ，１４ｂ、１６ａ，１６ｂが弾性体１１とともに歪む。錘１２を間に挟んでｘ軸方向の両側において弾性体１１に設けられた圧電素子１４ａ、１４ｂはｘ軸における錘１２の重心の変位に応じて歪む。すなわち圧電素子１４ａ、１４ｂはｘ軸変位検出手段１４を構成する。錘１２を間に挟んでｙ軸方向の両側において弾性体１１に設けられた圧電素子１６ａ、１６ｂはｙ軸における錘１２の重心の変位に応じて歪み、ｙ軸における錘１２の変位を表すアナログ検出信号を出力する。すなわち圧電素子１６ａ、１６ｂはｙ軸変位検出手段１６を構成する。
【００３２】
駆動検出回路２００はダイ１００に形成されても良いし、ダイ１００とともに１つのパッケージに収容される別のダイに形成されても良いし、ダイ１００が収容されるパッケージとは別のパッケージに収容されるダイに形成されても良い。駆動検出回路２００は駆動制御手段２０、アナログ参照信号発生手段２１、デジタル参照信号発生手段２２、加算器２３、増幅器２４ａ，２４ｂ，Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２５ａ、２５ｂ、離散フーリエ変換手段（ＤＦＴ）２６、漏れ成分除去手段２７、変換手段２８などを構成している。離散フーリエ変換手段（ＤＦＴ）２６、デジタル参照信号発生手段２２、漏れ成分除去手段２７、変換手段２８等のデジタル信号処理部はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって構成しても良いし、特定のプログラムを組み込んだ汎用マイクロコンピュータによって構成しても良い。
【００３３】
駆動制御手段２０は弾性体１１のｙ軸方向の両端部に設けられた圧電素子１５ａ、１５ｂに第一振動数において振動する駆動信号を位相をずらして印加することによって錘１２をｙ軸において第一振動数で励振する。駆動制御手段２０は弾性体１１のｘ軸方向の両端部に設けられた圧電素子１３ａ、１３ｂに第二振動数において振動する駆動信号を位相を一致させて印加することによって錘１２をｚ軸において第二振動数で励振する。これらの駆動信号はｘ軸変位検出手段１４とｙ軸変位検出手段１６の出力に基づいて生成される。ｙ軸駆動手段１５を構成する圧電素子１５ａ、１５ｂとｚ軸駆動手段１３を構成する圧電素子１３ａ、１３ｂと駆動制御手段２０とは励振手段に相当する。
【００３４】
ここに錘１２の固有振動数と励振の振動数の一例を記す。
ｘ軸・・・固有振動数：１３．７４ｋＨｚ
ｙ軸・・・固有振動数：１３．５８ｋＨｚ、第一振動数：１３．３１７ｋＨｚ
ｚ軸・・・固有振動数：１３．７４ｋＨｚ、第二振動数：１３．９５１ｋＨｚ
【００３５】
ｘ軸変位検出手段１４の出力は増幅器２４ａによって増幅されてアナログデジタル変換器２５ｂに入力される。
ｙ軸変位検出手段１６の出力とアナログ参照信号発生手段２１の出力とは加算器２３に入力される。アナログ参照信号発生手段２１は、ｙ軸において質点を励振することによって生じて予め計測されたｙ軸の変位の参照振動成分の逆位相に相当するアナログ信号をアナログ参照信号として出力する回路である。ｙ軸変位検出手段１６の出力とアナログ参照信号発生手段２１の出力とが加算器２３によって加算されることによって、ｙ軸における錘１２の変位を表すアナログ検出信号とｙ軸の変位の第一振動数の参照振動成分を表すアナログ信号との差分が得られる。この差分は増幅器２４ａによって増幅されてアナログデジタル変換器２５ａに入力される。すなわち、ｙ軸における錘１２の変位を表すアナログ検出信号からｙ軸の変位の第一振動数の参照振動成分が除去されることによって残った成分であるｚ軸参照振動のｙ軸への漏れ成分とｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分とが増幅され、アナログデジタル変換器２５ａによってデジタル信号に変換される。
【００３６】
離散フーリエ変換手段２６は、アナログデジタル変換器２５ａからの入力の第一振動数の成分と第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によってそれぞれ導出するとともに、アナログデジタル変換器２５ｂからの入力の第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する。離散フーリエ変換手段２６は、離散フーリエ変換の前に例えば１０個のデータの同期加算平均を導出することによってノイズを低減することが好ましい。
【００３７】
ここに離散フーリエ変換の条件の一例を記す。
サンプリング周波数：８１．１６９ｋＨｚ
サンプリング周期：１２．３μｓｅｃ
サンプル数：１２８
サンプリング時間：サンプリング周期×サンプル数≒１．５７ｍｓｅｃ
周波数分解能：≒０．６２ｋＨｚ
【００３８】
漏れ成分除去手段２７には離散フーリエ変換手段２６とデジタル参照信号発生手段２２の出力が入力される。デジタル参照信号発生手段２２は、ｙ軸において錘１２を励振することによって生じて予め計測されたｘ軸への参照振動の漏れ成分に相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させる。また、デジタル参照信号発生手段２２は、ｚ軸において錘１２を励振することによって生じて予め計測されたｘ軸およびｙ軸への参照振動の漏れ成分に相当するデジタル信号をデジタル参照信号として発生させる。漏れ成分除去手段２７は、複素平面におけるベクトル演算によって、錘１２のｘ軸の変位の第一振動数の成分から第一振動数の参照振動の漏れ成分を除去する。その結果、ｚ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分が得られる。また、漏れ成分除去手段２７は、複素平面におけるベクトル演算によって、錘１２のｘ軸の変位の第二振動数の成分から第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去する。その結果、ｙ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分が得られる。また、漏れ成分除去手段２７は、複素平面におけるベクトル演算によって、錘１２のｙ軸の変位の第二振動数の成分からｚ軸の参照振動のｙ軸への漏れ成分を除去する。その結果、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分が得られる。
【００３９】
変換手段２８には、漏れ成分除去手段２７の出力が入力される。変換手段２８は、入力に基づいてｘｙｚ軸周りの角速度の大きさと向きとを導出する。すなわち、ｘ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分からｘ軸周りの角速度の大きさと向きを導出する。またｙ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分からｙ軸周りの角速度の大きさと向きを導出する。またｚ軸周りの回転に伴うコリオリ力成分からｚ軸周りの角速度の大きさと向きを導出する。
【００４０】
以上説明した本発明の実施形態によると、直交する２軸において励振の振動数を異ならせ、離散フーリエ変換によって励振の振動数に応じた２種類の振動数の成分を抽出し、それぞれの振動数の成分について複素平面におけるベクトル演算を行って漏れ成分を除去するため、精度良く角速度を検出することができる。またアナログ信号からデジタル信号に変換する前に参照振動の成分除去するため、高い分解能で角速度を検出することができる。
【００４１】
６．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４２】
１０：支持部、１１：弾性体、１２：錘、１３：ｘ軸駆動手段、１３ａ：圧電素子、１３ｂ：圧電素子、１４：ｘ軸変位検出手段、１４ａ：圧電素子、１４ｂ：圧電素子、１５：ｙ軸駆動手段、１５ａ：圧電素子、１５ｂ：圧電素子、１６：ｙ軸変位検出手段、１６ａ：圧電素子、１６ｂ：圧電素子、２０：駆動制御手段、２１：アナログ参照信号発生手段、２２：デジタル参照信号発生手段、２３：加算器、２４ａ：増幅器、２４ｂ：増幅器、２５ａ：アナログデジタル変換器、２５ｂ：アナログデジタル変換器、２６：離散フーリエ変換手段、２７：漏れ成分除去手段、２８：変換手段、１００：ダイ、２００：駆動検出回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘と、
前記錘を支持する弾性体と、
ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で前記錘を２軸同時に励振する励振手段と、
前記ｙ軸において前記錘の変位を検出するｙ軸変位検出手段と、
前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記錘の変位を検出するｘ軸変位検出手段と、
前記錘の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記錘のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する軸分離手段と、
を備える振動型角速度センサ。
【請求項２】
複素平面におけるベクトル演算によって、前記錘の前記ｘ軸の変位の前記第一振動数の成分から予め計測された前記第一振動数の参照振動の漏れ成分を除去し、前記錘の前記ｘ軸の変位の前記第二振動数の成分から予め計測された前記第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去し、前記錘の前記ｙ軸の変位の前記第二振動数の成分から予め計測された前記第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去する漏れ成分除去手段を備える、
請求項１に記載の振動型角速度センサ。
【請求項３】
前記ｙ軸変位検出手段によって検出される前記ｙ軸における前記錘の変位を表すアナログ検出信号と、予め計測された前記ｙ軸の変位の前記第一振動数の参照振動成分を表すアナログ信号との差分を増幅し、前記錘のｙ軸の変位として前記軸分離手段へ出力する増幅手段を備える、
請求項１又は２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項４】
ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で質点を２軸同時に励振し、
前記ｙ軸において前記質点の変位を検出し、
前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記質点の変位を検出し、
前記質点の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記質点のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する、
ことを含む振動型角速度検出方法。
【請求項１】
錘と、
前記錘を支持する弾性体と、
ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で前記錘を２軸同時に励振する励振手段と、
前記ｙ軸において前記錘の変位を検出するｙ軸変位検出手段と、
前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記錘の変位を検出するｘ軸変位検出手段と、
前記錘の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記錘のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する軸分離手段と、
を備える振動型角速度センサ。
【請求項２】
複素平面におけるベクトル演算によって、前記錘の前記ｘ軸の変位の前記第一振動数の成分から予め計測された前記第一振動数の参照振動の漏れ成分を除去し、前記錘の前記ｘ軸の変位の前記第二振動数の成分から予め計測された前記第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去し、前記錘の前記ｙ軸の変位の前記第二振動数の成分から予め計測された前記第二振動数の参照振動の漏れ成分を除去する漏れ成分除去手段を備える、
請求項１に記載の振動型角速度センサ。
【請求項３】
前記ｙ軸変位検出手段によって検出される前記ｙ軸における前記錘の変位を表すアナログ検出信号と、予め計測された前記ｙ軸の変位の前記第一振動数の参照振動成分を表すアナログ信号との差分を増幅し、前記錘のｙ軸の変位として前記軸分離手段へ出力する増幅手段を備える、
請求項１又は２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項４】
ｙ軸においてはｙ軸の固有振動数に応じた第一振動数で前記ｙ軸に直交するｚ軸においてはｚ軸の固有振動数に応じた前記第一振動数と異なる第二振動数で質点を２軸同時に励振し、
前記ｙ軸において前記質点の変位を検出し、
前記ｙ軸と前記ｚ軸とに直交するｘ軸において前記質点の変位を検出し、
前記質点の前記ｘ軸の変位から前記第一振動数の成分と前記第二振動数の成分とを離散フーリエ変換によって導出するとともに前記質点のｙ軸の変位から前記第二振動数の成分を離散フーリエ変換によって導出する、
ことを含む振動型角速度検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１９０８１３（Ｐ２０１０−１９０８１３Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３７３６２（Ｐ２００９−３７３６２）
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２０日（２００９．２．２０）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]