(57)【要約】【課題】簡単な機構で短時間のうちに角速度センサの感度測定を可能とする角速度センサの感度測定装置を提供すること。【解決手段】角速度センサ３０１のセンサ部を取り付ける保持部材３０６と、この保持部材３０６を搭載する振動テーブル３０２と、この振動テーブル３０２に第１の振動方向の振動を与える振動発生器３０３とを備えている。振動発生器３０３による第１の振動方向が、センサ部の重錘体１０４に与える第２の振動方向と一致しないようになっている。また、第１の振動方向が、角速度センサが検出する角速度の方向及び角速度センサ３０１が角速度を検出するために重錘体１０４に与える振動方向のどちらとも一致しないようにするとともに、第１の振動方向の振動周波数を、第２の振動方向の振動周波数と一致させるようになっている。【選択図】図６
2010164397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位可能な重錘体に振動を与えることによって容量素子の静電容量の変化に基づいて角速度を検出する角速度センサの感度測定装置において、
前記角速度センサのセンサ部を取り付ける保持部材と、
該保持部材を搭載する振動部材と、
該振動部材に第１の振動方向の振動を与える振動発生手段とを備え、
該振動発生手段による前記第１の振動方向が、前記センサ部の前記重錘体に与える第２の振動方向と一致しないことを特徴とする角速度センサの感度測定装置。
【請求項２】
前記第１の振動方向が、前記角速度センサが検出する角速度の方向及び前記角速度センサが角速度を検出するために前記重錘体に与える振動方向のどちらとも一致しないようにするとともに、前記第１の振動方向の振動周波数を、前記第２の振動方向の振動周波数と一致させることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサの感度測定装置。
【請求項３】
前記第２の振動方向が、前記重錘体に振動を与えるｚ軸方向であり、前記第１の振動方向が、前記重錘体のｘ軸方向であり、前記角速度センサが検出する角速度の方向と前記第１の振動方向とが直交するようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の角速度センサの感度測定装置。
【請求項４】
前記センサ部と、該センサ部の処理回路が一体的になっていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の角速度センサの感度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサの感度測定装置に関し、より詳細には、角速度センサの感度などの電気的特性を測定するための角速度センサの感度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、小型の角速度センサには、内部に変位可能な重錘体を有し、この重錘体を所定の周波数で振動させることによって角速度を検出する方式のものがある。すなわち、重錘体を静電力や圧電効果などによって所定の周波数で振動させることで、角速度が与えられた時に重錘体にコリオリの力が発生し、重錘体がさらに変位する現象を静電容量の変化や圧電効果などにより検出するのである。
【０００３】
図１（ａ）乃至（ｄ）は、従来の角速度センサのセンサ部の構成図で、図１（ａ）は上部ガラス基板、図１（ｂ）はＳＯＩ基板、図1（ｃ）は下部ガラス基板、図１（ｄ）は図１（ｂ）の裏面を各々示している。つまり、図１（ａ）乃至（ｄ）は、非特許文献１及び非特許文献２に記載されている５軸モーションセンサ（５−ａｘｉｓ  ｍｏｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｏｒ）の概略構成図である。
【０００４】
なお、この非特許文献１及び非特許文献２における５軸モーションセンサは、３軸加速度と２軸角速度を検出可能なセンサとして紹介されているが、ここでは角速度センサの一例として取り上げる。
【０００５】
この角速度センサのセンサ部１００は、上部ガラス基板１０１と、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１０２と、下部ガラス基板１０３とから成る３層の構造を有している。
【０００６】
ＳＯＩ基板１０２には、重錘体１０４と４本の梁部１０５乃至１０８とで振動子が形成されており、重錘体１０４は、梁部１０５乃至１０８で支持される構造になっている。ここで梁部１０５乃至１０８は薄く形成されており、応力によって曲げ変形しやすいため、重錘体１０４は力が加わると変位しやすくなっている。
【０００７】
上部ガラス基板１０１には電極Ｅ１乃至Ｅ５が、下部ガラス基板１０２には電極Ｅ６乃至Ｅ１０が形成されている。いずれの電極も重錘体１０４と対向するように配置されているため、電極Ｅ１乃至Ｅ１０と重錘体１０４の間には、それぞれ静電容量Ｃ１乃至Ｃ１０が存在している。なお、Ｅ５及びＥ１０は駆動電極、Ｅ１乃至４及びＥ６乃至Ｅ９は検出電極を示している。
【０００８】
また、特許文献１に記載のものは、振動子に作用するコリオリ力を容量素子の静電容量の変化に基づいて検出する角速度センサに関するものである。
【０００９】
図２は、角速度センサにより角速度を検出する原理を説明するための図で、図３（ａ）乃至（ｄ）は、図２における信号波形図で、図３（ａ）は電極Ｅ５に印加される電圧Ｖ１の波形と電極Ｅ１０に印加される電圧Ｖ２の波形、図３（ｂ）は静電力Ｆｅの波形、図３（ｃ）は重錘体のｚ軸方向速度Ｖｚの波形、図３（ｄ）は重錘体のｚ軸方向変位Ｚｗの波形をそれぞれ示している。
【００１０】
発振器２０１によって電極Ｅ５に電圧Ｖ１が、また、発振器２０１及び移相器２０２によって電極Ｅ１０へ電圧Ｖ２がそれぞれ印加される。電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の波形を図３（ａ）に示す。どちらも直流バイアス付きの交流波形であり、その周波数ｆ０は発振器２０１によって決まる。また、移相器２０２により電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の位相差は１８０°となっている。すると重錘体１０４にはｚ軸方向に静電力Ｆｅが発生し、ｚ軸方向の振動運動が引き起こされる。静電力Ｆｅと、重錘体１０４のｚ軸方向速度Ｖｚ及び重錘体１０４のｚ軸方向変位Ｚｗの波形をそれぞれ図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示す。いずれも周波数ｆ０の交流波形となり、静電力Ｆｅとｚ軸方向変位Ｚｗは電圧Ｖ１と同位相になるが、ｚ軸方向速度Ｖｚは電圧Ｖ１よりも位相が９０°進む。
【００１１】
この状態で角速度センサが角速度ωｙでｙ軸廻りの回転運動を始めると、重錘体１０４にはｘ軸方向にコリオリ力Ｆｃが発生し、重錘体１０４にはｚ軸方向の振動運動に加えてｙ軸廻りに変位する動作も引き起こされる。
【００１２】
図４（ａ）乃至（ｃ）は、コリオリ力の発生を示す信号波形図で、図４（ａ）は電圧Ｖ１の波形図、図４（ｂ）は角速度ωｙの波形図、図４（ｃ）はコリオリ力Ｆｃの波形図をそれぞれ示している。
【００１３】
コリオリ力Ｆｃは、重錘体１０４のｚ軸方向速度Ｖｚと角速度ωｙの積に比例するので、コリオリ力Ｆｃの波形は、図４（ｃ）に示すようになる。すなわち、電圧Ｖ１よりも位相が９０°進み、かつ角速度ωｙで振幅変調された、周波数ｆ０の交流波形となる。
【００１４】
コリオリ力Ｆｃが大きくなるほど重錘体１０４におけるｙ軸廻りの変位は大きくなるので、電極Ｅ１乃至Ｅ２と重錘体１０４の間隔と、電極Ｅ３乃至Ｅ４と重錘体１０４の間隔の差、すなわち、静電容量Ｃ１乃至Ｃ２と、静電容量Ｃ３乃至Ｃ４の差は大きくなる。同様に、電極Ｅ６乃至Ｅ７と重錘体１０４の間隔と、電極Ｅ８乃至Ｅ９と重錘体１０４の間隔の差、すなわち、静電容量Ｃ６乃至Ｃ７と、静電容量Ｃ８乃至Ｃ９の差は大きくなる。
【００１５】
そこで静電容量Ｃ１＋Ｃ２と静電容量Ｃ３＋Ｃ４の差あるいは静電容量Ｃ６＋Ｃ７と静電容量Ｃ８＋Ｃ９の差を検出してその信号を振動運動の周波数ｆ０で検波することにより、角速度ωｙを検出することが可能となる。
【００１６】
図５は、角速度を検出する具体例を説明するための構成図である。  
静電容量Ｃ１乃至Ｃ４は、Ｃ／Ｖ変換部２０３乃至２０６によってそれぞれ電圧に変換され、加算部２０７と加算部２０８及び減算部２０９によって静電容量Ｃ１＋Ｃ２と静電容量Ｃ３＋Ｃ４の差に相当する電圧が出力される。減算部２０９の出力は、乗算部２１１の一方の入力に接続される。一方、発振器２０１の出力、すなわち、電圧Ｖ１は＋９０°移相部２１０を通って乗算部２１１のもう一方の入力に接続される。
【００１７】
ここで発振器２０１の出力を
【００１８】
【数１】
2010164397.tif 000003
【００１９】
と表現すると、＋９０°移相部２１０の出力は
【００２０】
【数２】
2010164397.tif 000004
【００２１】
となる。また、減算部２０９の出力は、コリオリ力Ｆｃと相似であるから、
【００２２】
【数３】
2010164397.tif 000005
と表現することができる。すると乗算部２１１の出力は、
【００２３】
【数４】
2010164397.tif 000006
【００２４】
となる。乗算部２１１の出力は、ＬＰＦ部２１２の入力に接続されるが、ＬＰＦ部２１２は、カットオフ周波数がｆ０より大きく２ｆ０より小さく設定されたローパスフィルタであるため、ＬＰＦ部２１２の出力は、第２項の
【００２５】
【数５】
2010164397.tif 000007
【００２６】
だけが残り、角速度ωｙに比例する。
【００２７】
また、角速度センサが角速度ωｘでｘ軸廻りの回転運動を始めた場合も、上述した場合と同様の原理により、静電容量Ｃ１＋Ｃ３と静電容量Ｃ２＋Ｃ４の差あるいは静電容量Ｃ６＋Ｃ８と静電容量Ｃ７＋Ｃ９の差を検出してその信号を振動運動の周波数ｆ０で検波することによって角速度ωｘを検出することができる。
【００２８】
このような角速度センサの感度を測定するためには、角速度センサを所定の角速度で回転させ、その時の出力を測定する方法が一般的にとられている。
【００２９】
また、回転テーブルに複数の検査対象である角速度センサを配置したものとして、例えば、特許文献２に記載のものがある。この特許文献２には、回転テーブル上に複数の角速度センサを配置し、回転テーブルを所定の角速度で回転させ、スリップリングとセンサ出力切り換え装置を介して角速度センサの出力を測定する検査装置が開示されている。
【００３０】
また、他の例として、特許文献３には、シーソーの構造をした板体があってその一端に角速度センサが、もう一端にはボイスコイルが配置され、ボイスコイルを駆動することによってシーソーが動作し角速度センサにかかる角速度が変化し、この時の角速度センサの出力を測定する測定装置が開示されている。
【００３１】
また、さらに他の例として、特許文献４及び特許文献５には、振り子の構造体があって角速度センサを振り子に固定し、振り子を駆動することによって角速度センサにかかる角速度が変化し、この時の角速度センサの出力を測定する測定装置ないし検査装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】特開２００７−３１９１号公報
【特許文献２】特開２００２−３１０６６０号公報
【特許文献３】特開平６−１４７８９８号公報
【特許文献４】特開平６−２４２１４３号公報
【特許文献５】特開２００６−８４４５５号公報
【非特許文献】
【００３３】
【非特許文献１】Y. Watanabe, T. Mitsui, T. Mineta, Y. Matsu and K. Okada, “SOI Micromachined 5-Axis Motion Sensor using Resonant Electrostatic Drive and Non-Resonant Capacitive Detection Mode”, Digest of Papers, Tranceducers ’05, pp. 511-514, 2005
【非特許文献２】「ＳＯＩウェハを用いた５軸モーションセンサとその設計−手法」（岡田和廣  他６名  電学論  E  １２６巻６号  ２００６年  ｐｐ．２６１−２６８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
しかしながら、上述したような特許文献２に開示された検査装置は、回転テーブルの機構が複雑となり、また、角速度センサの装着、回転速度の安定化、測定後の回転停止、角速度センサの取り外しに時間を要するという問題があった。このため、角速度センサの製造においては、特性検査としての感度測定は必須であるため、検査コストを高めてしまうという問題があった。
【００３５】
また、上述した特許文献３に記載のシーソーを使う方式、及び上述した特許文献４及び５に記載の振り子を使う方式は、角速度が常に変化するため、角速度が所定値に達する時刻に合わせて短時間のうちに出力を測定する必要があり、また、出力は角速度センサの周波数特性に依存するようになるため、測定誤差が大きくなるという欠点があった。
【００３６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡単な機構で短時間のうちに精度良く角速度センサの感度測定を可能とする角速度センサの感度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、変位可能な重錘体に振動を与えることによって容量素子の静電容量の変化に基づいて角速度を検出する角速度センサの感度測定装置において、前記角速度センサのセンサ部を取り付ける保持部材と、該保持部材を搭載する振動部材と、該振動部材に第１の振動方向の振動を与える振動発生手段とを備え、該振動発生手段による前記第１の振動方向が、前記センサ部の前記重錘体に与える第２の振動方向と一致しないことを特徴とする。
【００３８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の振動方向が、前記角速度センサが検出する角速度の方向及び前記角速度センサが角速度を検出するために前記重錘体に与える振動方向のどちらとも一致しないようにするとともに、前記第１の振動方向の振動周波数を、前記第２の振動方向の振動周波数と一致させることを特徴とする。
【００３９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第２の振動方向が、前記重錘体に振動を与えるｚ軸方向であり、前記第１の振動方向が、前記重錘体のｘ軸方向であり、前記角速度センサが検出する角速度の方向と前記第１の振動方向とが直交するようにすることを特徴とする。
【００４０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記センサ部と、該センサ部の処理回路が一体的になっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、角速度センサのセンサ部を取り付ける保持部材と、この保持部材を搭載する振動部材と、この振動部材に第１の振動方向の振動を与える振動発生手段とを備え、この振動発生手段による第１の振動方向が、センサ部の重錘体に与える第２の振動方向と一致しないようにしたので、簡単な機構で短時間のうちに角速度センサの感度測定を可能とする角速度センサの感度測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）乃至（ｄ）は、従来の角速度センサの構成図で、図１（ａ）は上部ガラス基板、図１（ｂ）はＳＯＩ基板、図1（ｃ）は下部ガラス基板、図１（ｄ）は図１（ｂ）の裏面を各々示している。
【図２】角速度センサにより角速度を検出する原理を説明するための図である。
【図３】（ａ）乃至（ｄ）は、図２における信号波形図である。
【図４】（ａ）乃至（ｃ）は、コリオリ力の発生を示す信号波形図である。
【図５】角速度を検出する具体例を説明するための構成図である。
【図６】本発明に係る角速度センサの感度測定装置の一実施例を説明するための構成図である。
【図７】図６に示した感度測定装置の構成を具体的に示したブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
図６は、本発明に係る角速度センサの感度測定装置の一実施例を説明するための構成図である。なお、角速度センサ３０１は、図２に示したセンサ部１００を備えている。
【００４４】
角速度センサ３０１は振動テーブル３０２上に配置され、この振動テーブル３０２は、振動発生器３０３によって、図中Ｍで示した上下方向、すなわち、ｘ軸方向に振動されるように構成されている。また、センサ駆動用電源３０４は、角速度センサ３０１へ電源を供給するために接続され、角速度センサ３０１の出力は、電圧計３０５へ接続されて測定されるように構成されている。
【００４５】
本発明の角速度センサ３０１の感度測定装置は、変位可能な重錘体に振動を与えることによって容量素子の静電容量の変化に基づいて角速度を検出するもので、角速度センサ３０１のセンサ部１００を取り付ける保持部材３０６と、この保持部材３０６を搭載する振動テーブル３０２と、この振動テーブル３０２に第１の振動方向の振動を与える振動発生器３０３とを備えている。そして、振動発生器３０３による第１の振動方向が、センサ部１００の重錘体１０４に与える第２の振動方向と一致しないようになっている。
【００４６】
また、第１の振動方向が、角速度センサ３０１が検出する角速度の方向及び角速度センサ３０１が角速度を検出するために重錘体１０４に与える振動方向のどちらとも一致しないようにするとともに、第１の振動方向の振動周波数を、第２の振動方向の振動周波数と一致させるようになっている。
【００４７】
また、第２の振動方向が、重錘体１０４に振動を与えるｚ軸方向であり、第１の振動方向が、重錘体１０４のｘ軸方向であり、角速度センサが検出する角速度の方向と第１の振動方向とが直交するようになっている。
【００４８】
また、センサ部１００と、このセンサ部１００の処理回路が一体的になっていることを特徴とする。
【００４９】
角速度センサ３０１は、センサ部１００の他にも、センサ部１００と一体的になっている処理回路として、図２に示した発振器２０１と移相器２０２と、図５におけるＣ／Ｖ変換部２０３乃至２０６と、加算部２０７，２０８と、減算部２０９と、＋９０°移相部２１０と、乗算部２１０と、ＬＰＦ部２１２やその他の電気回路及び配線を備えたものとしている。
【００５０】
なお、これらの処理回路は、センサ駆動用電源３０４や電圧計３０５にその一部が含まれていてもよい。
【００５１】
また、角速度センサ３０１に搭載された振動テーブル３０２の振動方向Ｍは、角速度センサ３０１の内部の重錘体１０４の振動方向Ｎと、検出する角速度の回転軸方向とのどちらにも一致しないようにすることが必要である。好ましくは、どちらとも直交するように方向を決めることが望ましい。
【００５２】
以下、重錘体がｚ軸方向に振動運動を行い、角速度センサ３０１が角速度ωｙを検出するようになっているために、振動テーブル３０２の振動方向Ｍが角速度センサ３０１のｘ軸方向と一致させている場合について説明する。
【００５３】
図７は、図６に示した感度測定装置の構成を具体的に示したブロック構成図である。角速度センサ３０１は、センサ駆動用電源３０４に接続された発振器２０１と、発振器２０１に接続された移相器２０２と、発振器２０１と移相器２０２に接続されたセンサ部４０１と、センサ部４０１に接続されたＣ／Ｖ変換・加減算部４０２と、Ｃ／Ｖ変換・加減算部４０２に接続された検波部４０３とを備えている。角速度センサ３０１の出力は、検波部４０３の出力として電圧計３０５へ接続されて測定されるように構成されている。なお、センサ部４０１は、図２に示したセンサ部１００に相当している。
【００５４】
センサ部４０１は、図１及び図２における上部ガラス基板１０１とＳＯＩ基板１０２と下部ガラス基板１０３とから成る３層構造のセンサである。Ｃ／Ｖ変換・加減算部４０２は、センサ部４０１に接続され、静電容量Ｃ１乃至Ｃ４及びＣ６乃至Ｃ９を電圧に変換したのちに加減算を行うものである。検波部４０３は、Ｃ／Ｖ変換・加減算部４０２に接続され、発振器２０１の出力を参照信号としてＣ／Ｖ変換・加減算部４０２の出力の検波を行って角速度ωｘ若しくはωｙあるいはその両方を出力するものである。
【００５５】
電圧計３０５は、角速度センサ３０１の出力を測定し、演算部４０５は、電圧計３０５からの測定結果を基に角速度センサ３０１の感度を計算するものである。
【００５６】
振動制御部４０４は、振動発生器３０３により発生される振動の振幅、周波数及び位相を制御するもので、このうち周波数は、発振器２０１の出力を参照し同一の周波数ｆ０に設定される。また、位相も発振器２０１の出力を参照し、任意の位相差φを設定することができるようになっている。
【００５７】
以上のような角速度センサの感度測定装置において、角速度センサ３０１が、振動発生器３０３により発生される振動を受けると、角速度センサ３０１の内部の重錘体にはｘ軸方向の慣性力Ｆｉが生じる。
【００５８】
慣性力Ｆｉも周波数ｆ０で変化する。さらに、振動制御部４０４で設定される位相差φと振幅Ａを調整することにより、慣性力Ｆｉを所定の角速度ωｙが与えられている時のコリオリ力Ｆｃと同じにすることができる。したがって、この時の角速度センサ３０１の出力は、所定の角速度ωｙが与えられている時の値と同じとなる。
【００５９】
静止時の角速度センサ３０１の出力と、所定の位相差φ及び所定の角速度ωｙに対応した振幅Ａを設定した時の角速度センサ３０１の出力をそれぞれ電圧計３０５により測定し、演算部４０５で比例定数を計算して角速度センサ３０１の感度とする。あるいは複数の所定の角速度ωｙについてそれぞれ対応した位相差φと振幅Ａを設定した時の角速度センサ３０１の出力を電圧計３０５により測定し、演算部４０５で比例定数を計算して角速度センサ３０１の感度とする。
【００６０】
所定の位相差φの値を得るためには、図４（ｃ）に示すように、コリオリ力Ｆｃと電圧Ｖ１の位相差が９０°になっていることから、慣性力Ｆｉと電圧Ｖ１の位相差も９０°となるような位相差φを探ればよい。具体的には、例えば、振動テーブル３０２の振動の加速度をモニタして、この加速度の波形と電圧Ｖ１の位相差が９０°になるような位相差φを探ればよい。
【００６１】
所定の角速度ωｙに対応した振幅Ａの値を得る方法としては、例えば、あらかじめ所定の角速度ωｙに対する出力値が判っている角速度センサを用いて、出力値が同じになるような振幅Ａを探ればよい。
【符号の説明】
【００６２】
１００  センサ部
１０１  上部ガラス基板
１０２  ＳＯＩ基板
１０３  下部ガラス基板
１０４  重錘体
１０５乃至１０８  梁部
Ｅ１乃至Ｅ５，Ｅ６乃至Ｅ１０  電極
２０１  発振器
２０２  移相器
２０３乃至２０６  Ｃ／Ｖ変換部
２０７，２０８  加算部
２０９  減算部
２１０  ＋９０°移相部
２１１  乗算部
２１２  ＬＰＦ部
３０１  角速度センサ
３０２  振動テーブル
３０３  振動発生器
３０４  センサ駆動用電源
３０５  電圧計
３０６  保持部材
４０１  センサ部
４０２  Ｃ／Ｖ変換・加減算部
４０３  検波部
４０４  振動制御部
４０５  演算部
【図１】
2010164397.tif 000008
【図２】
2010164397.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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