(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定軸回りの角速度を検出する振動子と該振動子が固定された基台とを少なくとも有するセンサ部と、
該センサ部に設けられ、前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れている共振周波数を有する防振部材とからなることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記防振部材の共振周波数が、前記振動子の共振周波数を基準として、前記振動子の共振周波数の３％以上小であることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記防振部材の共振周波数が、前記振動子の共振周波数を基準として、前記振動子の共振周波数の３％以上大であることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記振動子と前記基台との間には、前記振動子と前記基台とを固定する支持部を有していることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記センサ部は、前記防振部材を介して前記ケース内に保持されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の角速度センサ。
【請求項６】
所定軸回りの角速度を検出する振動子と該振動子が固定された基台とを少なくとも有するセンサ部と、
該センサ部を収納するケースと、
前記センサ部を前記ケースより離間させ弾性に支持するバネ部と、前記基台の少なくとも一部を挿入穴により挿入させることにより前記センサ部を保持する保持部とからなる防振部材とを有する角速度センサであって、
前記防振部材は、前記振動子の前記保持部の共振周波数よりも３％以上離れている共振周波数を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項７】
前記防振部材の前記保持部の共振周波数が、前記振動子の共振周波数を基準として、前記振動子の共振周波数の３％以上小であることを特徴とする請求項６記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記防振部材の前記保持部の共振周波数が、前記振動子の共振周波数を基準として、前記振動子の共振周波数の３％以上大であることを特徴とする請求項６記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記防振部材の前記保持部の共振周波数が前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れるように、前記防振部材の前記保持部を構成する材料が選定されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の角速度センサ。
【請求項１０】
前記防振部材の前記保持部の共振周波数が前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れるように、前記防振部材の基台側取付部板厚と同方向側の厚さが調整されることを特徴とする請求項６記載の角速度センサ。
【請求項１１】
所定軸回りの角速度を検出する振動子と該振動子が固定された基台とを少なくとも有するセンサ部と、
該センサ部を収納するケースと、
前記センサ部を前記ケース内に固定する防振部材と、
前記防振部材が圧縮応力を印加されることによって、前記センサ部が前記ケース内に保持されるように、前記防振部材と前記ケースとの間に設けられるフレーム部材とからなる角速度センサであって、
前記防振部材は、前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れている共振周波数を有することを特徴とする角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定軸回りの角速度を電気的に検出する振動子を有する角速度センサに関するものであり、特にセンサの特性と防振構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の角速度センサとして示されたコリオリ力を利用した振動型の角速度センサにおいては、振動子の持っている固有振動モードのある固有共振周波数ｆで発振，駆動することで、速度Ｖを与える。この時、振動子の所定の軸回りに角速度Ωが入力されると、速度と角速度入力軸のそれぞれと直交する方向にコリオリ力Ｆｃが発生する。このコリオリ力Ｆｃを電気的信号により取出し、駆動周波数ｆと同一の周波数にて同期検波することで、角速度信号として出力する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような角速度センサでは、駆動周波数ｆ近傍に寄生する外部振動の周波数帯域のノイズ信号おいては、実際に角速度Ωが入力され発生したコリオリ力の信号との判別・分離が困難であり、センサの角速度検出精度を悪化させてしまう。
【０００４】
この為、外部からのノイズ等の対策に関しては、例えば、特開平１１−６７３６号公報に知られているように、防振部材の形状を工夫することが行われてきた。
【０００５】
しかしながら、いまだ、十分なノイズ対策が見出されていなかった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みて、角速度センサにおいて、十分なノイズ対策がなされた構成を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、これらノイズ対策として、全く新しい着眼点から研究を行い、防振部材自身の振動に着目し、防振部材の特に基台保持部共振が振動子の振動状態に大きく影響させていることをはじめて見出したのである。
【０００８】
すなわち、請求項１の発明においては、所定軸回りの角速度を検出する振動子と該振動子が固定された基台とを少なくとも有するセンサ部と、該センサ部に設けられ、前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れている共振周波数を有する防振部材とからなることを特徴とする。
【０００９】
このように、振動子の共振周波数よりも３％以上離れている共振周波数を有する防振部材とすることによって、振動子の振動によって共振する基台が、基台を保持する防振部材の共振により、必要以上にさらに大きく共振することがない。そのため、基台の振動を抑制することができ、しいては基台に固定された振動子へのノイズ振動を抑制させることができる。
【００１０】
ここで、振動子の共振周波数よりも３％以上離れていない場合には、十分な効果を得ることができない。
【００１１】
請求項４の発明では、前記振動子と前記基台との間には、前記振動子と前記基台とを固定する支持部を有している。このように、支持部を設けることにより、振動子を基台より離間させることが容易にでき、振動子の振動を基台に伝達させることを抑制させることができる。
【００１２】
また、請求項５の発明では、前記センサ部をケースに収納しているので、さらに外部からの振動によるノイズ発生を抑制させることができる。
【００１３】
さらにまた、請求項６の発明では、所定軸回りの角速度を検出する振動子と該振動子が固定された基台とを少なくとも有するセンサ部と、該センサ部を収納するケースと、前記センサ部を前記ケースより離間させ弾性に支持するバネ部と、前記基台の少なくとも一部を挿入穴により挿入させることにより前記センサ部を保持する保持部とからなる防振部材とからなる角速度センサであって、前記防振部材は、前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れている共振周波数を有する角速度センサを提供する。
【００１４】
このように、防振部材の構成として、バネ部及び保持部を形成させているので、さらに振動による振動子のノイズ発生を抑制させることができる。
【００１５】
そして、請求項９の発明では、前記防振部材の前記保持部の共振周波数が前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れるように、前記防振部材の前記保持部を構成する材料が選定することにより、容易に本発明を達成させることができる。
【００１６】
また、請求項１０の発明では、前記防振部材の前記保持部の共振周波数が前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れるように、前記防振部材の基台側取付部板厚と同方向側の厚さが調整されることにすれば、正確に前記防振部材の前記保持部の共振周波数が前記振動子の共振周波数よりも３％以上離すことができる。
【００１７】
また、請求項１１の発明においては、所定軸回りの角速度を検出する振動子と該振動子が固定された基台とを少なくとも有するセンサ部と、該センサ部を収納するケースと、前記センサ部を前記ケース内に固定する防振部材と、前記防振部材が圧縮応力が印加されることによって、前記センサ部が前記ケース内に保持されるように、前記防振部材と前記ケースとの間に設けられるフレーム部材とからなる角速度センサであって、前記防振部材材は、前記振動子の共振周波数よりも３％以上離れている共振周波数を有する角速度センサを提供する。
【００１８】
このような構成を採用することにより、さらに、ノイズの低減を達成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に基づき本発明の一実施形態を説明する。
【００２０】
本実施形態は、例えば車両等の被検出物ににセンサを固定するケース１０、振動子２１および振動子２１を固定する基台２２とを有するセンサ部２０、センサ部２０をケース１０内に収納及び保持し、振動子２１に伝達される外部からの振動及び衝撃を減衰させる防振部材５０、防振部材５０をケース１０内に固定するフレーム６０、振動子２１の駆動信号を発生させコリオリ力Ｆｃを検出した信号を処理する回路基板８０、基台２２の例えばハーメチック端子ｐと回路基板８０とを接続し、電気信号を伝達するフレキシブルケーブル７０（以下、フレキと略す）、回路基板８０への電源供給端子と回路基板８０にて処理された角速度信号出力端子とを有し回路基板を外部ノイズからカバーするコネクタ９０より、形成されている。又、防振部材５０については、センサ部２０を外部からの干渉を絶縁する為にケースより離間させて支持するバネ部５２とセンサ部を弾性に保持する保持部５１があり、この保持部５１には基台側取付部に嵌めることの出来る様に挿入穴５１ａが形成されている。
【００２１】
次に、角速度センサのセンサ部２０について、図２，３を用いて説明する。センサ部２０は、例えば圧電素子の表面に電極を形成してなる振動子２１、振動子２１とは略平行に配置された金属製で板状の基台２２、振動子２１と基台２２を連結固定している例えば４２アロイから成る支持部２３、振動子２１を覆う様に配置される金属製でドーム状のシェル２７を備えた構成となっている。又、基台２２おいては、防振部材を取り付けるための基台側取付部２２ａが設けられている。
【００２２】
振動子２１は、一対のアーム部２４，２５と各アーム部２４，２５の一端を連結する連結部２６とを有する音叉形状有したいわゆる音叉型振動子を構成している。そして、振動子２１は、支持部２３に対して例えばエポキシ系接着剤にて接合されている。また、支持部２３は基台２２に例えば溶接により固定することにより、振動子２１を基台２２に固定している。振動子２１には駆動用電極３０，３１、モニタ用電極３２，３３、基準電位に接地された仮ＧＮＤ電極３４，３５，４０、角速度検出用電極４１，４２、角速度検出用電極４１，４２からの出力を取り出す為のパット電極３６，３７、角速度検出用電極４１，４２からの出力をパット電極３６，３７に引き出す為の引き出し用電極４５，４６、裏面の仮ＧＮＤ電極４０と表面の仮ＧＮＤ電極３４，３５を短絡する為の仮ＧＮＤ短絡用電極４３，４４が形成されている。
【００２３】
振動子２１と回路基板等外部との信号の入出力は、例えば基台２２に設けられているハーメチック端子ｐと振動子２１上の各電極をワイヤボンディングＳにて接続することで行う。
【００２４】
また、室温における、上記振動子２１の共振周波数は、３．２ｋＨｚであり、防振部材５０の共振周波数は２．５ｋＨｚとなるようにした。
【００２５】
次に振動子２１の作用について、図４にて説明する。先ず、回路基板８０より、振動子２１の各駆動電極に反転した電圧を印加することでＹ方向に共振し、駆動振幅が発生し質点速度Ｖが発生する。この時の駆動周波数は、振幅効率が高く同一電圧で速度が最大となる振動子２１の対象モードの共振周波数で振動する。また、モニタ用電極３２，３３の出力をモニタしフィードバックすることで、温度等により駆動振幅状態が変わっても一定となる様に自励発振制御を行っている。
【００２６】
この様に振動子２１に質点速度Ｖが発生している状態にて角速度Ωが入力された時、質点速度Ｖと角速度入力軸（Ｚ）に対して直交する方向にコリオリ力Ｆｃが発生する。これにより、Ｘ方向へのたわみ振幅（検出振幅）が発生し、これに比例した出力が角速度検出用電極４１，４２より発生することで、角速度Ωを検出する。
【００２７】
本件で問題としているセンサ特性であるオフセット温度ドリフト（以下、温ドリと略す）とは、入力角速度が無入力（０°／ｓ）状態での角速度検出用電極４１，４２からの出力（即ちオフセット）の温度変化であり、この温ドリがある特定の温度域において著しい突起状の変動が発生するという問題がある。この温ドリの発生要因として、今回、防振部材５０の形状と温ドリとの関係について調査、研究の結果、防振部材５０の特に基台保持部５１に使用する材料や形状から決定される共振周波数から発生する振動が温ドリの主要因の１つである振動子２１の不要振動の増長に大きく影響しており、防振部材５０あるいは基台保持部５１形状及び、使用する材料を最適化することで振動子２１の不要振動を最小限に抑えることができ、温ドリの改善が可能となった。
【００２８】
以下本発明の特徴部分を詳細に説明する。
【００２９】
はじめに、従来の圧電体を用いた音叉型振動子２１と防振部材５０に例えば標準シリコンゴムで硬度６０°Ｈｓ程度を用いた時の温ドリを評価した結果を図５に示す。
【００３０】
図５では、横軸に温度の変化と縦軸に振動子出力との関係を示す。
従来構造においては、図５に示す様に、−２０℃近傍において、温ドリに突起状の異常変動（以下、温ドリ突起Ｔと略す）が発生する。
【００３１】
そこで、我々発明者らは、この温ドリ突起Ｔの発生している温度域（図５の場合には、−２０℃近傍）での防振部材５０の振動状態に着目した。その結果、この温度域では、防振部材５０の保持部５１の振動の共振周波数が振動子２１の共振周波数とほぼ一致していることが確認された。
【００３２】
これは、振動子２１と防振部材５０の保持部５１との共振周波数と温ドリ突起Ｔの発生温度との関係を示す図６より明らかである。
【００３３】
即ち、図６より従来構造において発生する温ドリ突起Ｔの発生温度域（この場合では−２０℃）にて双方の共振周波数が一致していることがわかる。
【００３４】
尚、本発明における防振部材５０の共振周波数の測定方法としては、防振部材５０を組み付けた状態で振動子２１に交流電圧を印可させることにより振動子２１を加振させた後、この振動子２１の振動周波数を順次変化させ、各々の振動子２１における周波数での防振部材５０の保持部の動きをレーザ変位計で確認した。そして、この防振部材５０の動きより、防振部材５０の周波数を求めた。
【００３５】
以上のような知見より、本発明においては、防振部材５０の保持部５１の共振周波数を振動子２１の共振周波数とを相違させる必要があることを初めて見出したものである。
【００３６】
具体的な手段としては、図７に示す関係式を用いることができる。
【００３７】
即ち、防振部材５０の保持部５１の共振周波数Ｆｈは、伝播定数（（Ｅ／ρ）１／２に相当）と防振部材の形状（Ｄに相当）との積に比例する。そして、夫々についての最適な形状を選択することにより温ドリ突起Ｔを抑制し温ドリ特性を改善することが出来るのである。ここで、Ｅは、粘弾性率を、ρは密度を、Ｄは、保持部形状であり、具体的には、保持部厚さを示した。
【００３８】
以下に、防振部材５０の使用材料の最適化について説明する。
【００３９】
図７に示す関係式の係数である材料物性値により決定される伝播定数と温ドリ突起Ｔの発生する温度との関係を図８に示す。
【００４０】
図８より明らかなように、両者は相関関係にあり、伝播定数を変化させることで温ドリ突起Ｔの発生温度域を変えることが出来ることを見出した。
【００４１】
このことから、従来、防振部材５０に関しては外部からの振動や衝撃に対してのみ考慮され設計されてきていたが、今回、防振部材５０の特に防振部材５０の保持部５１の固有振動による振動子への影響が非常に高く、減衰率の高い材料を用いる等により振動子２１への干渉を回避する配慮が必要であることが理解できる。
【００４２】
次に、図７に示す関係式の係数である防振部材５０の保持部５１の形状について検討した。
【００４３】
本実施形態における防振部材５０の保持部５１の形状とは、図９における保持部５１の厚さＤの寸法を示す。
【００４４】
図１０に、各性部材の形状における伝播定数と突起発生温度との関係を示す特性図を示す。
【００４５】
その結果、防振部材５０の保持部５１における厚さＤを変化させることにより、基台５０の共振周波数が変化することが理解された。即ち、厚さＤと温ドリ突起Ｔの発生温度との関係は図９に示すように、防振部材５０の保持部５１の厚さＤを変化させることで温ドリ突起Ｔの発生温度域を変えることが出来る。
【００４６】
以上の最適化を実施することで、センサ使用温度範囲内での防振部材５０の基台保持部５１の共振周波数を振動子２１の共振周波数と異ならしめることにより、温ドリ突起Ｔを抑制し温ドリを改善することが出来た。
【００４７】
図１の実施形態に対して、上記の最適化を実施することで温ドリについては改善できるが、更に、耐振動性についても考慮し設計する必要がある。例えば、温ドリ突起Ｔを改善するため軟らかいゴムを使用する必要がある場合、バネ性が低いことから耐振動性が著しく低下することになる。これについては、防振部材５０の特にバネ部５２を圧縮し組み付けることでバネ性を上げ、耐振動性について向上することができる。
【００４８】
この圧縮する構成としては、例えば図１に示す防振部材５０のバネ部５２の太さを太くしてもよい。
【００４９】
上記実施形態においては、振動子２１の形状として、圧電素子よりなる音叉形状を採用したが、その他にも例えば、角柱の一端を固定されたものや、角柱の両端を自由となる様に固定されたものでも良い。さらに、半導体よりなる振動子でも同様な作用・効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る角速度センサの全体構成を示す分解斜視図である。
【図２】（ａ）は図１におけるセンサ部のＡ視構成図、（ｂ）は（ａ）のＢ視透過図である。
【図３】図２のセンサ部の主要部構成を示す斜視図である。
【図４】図３の振動子を前後左右からみた展開図である。
【図５】温度変化と振動出力との関係を示す特性図である。
【図６】温ドリ突起Ｔの発生温度と振動子及び防振部材の各共振周波数との関係を示す特性図である。
【図７】保持部５１の共振周波数に関係する関係式である。
【図８】伝播定数と突起発生温度との関係を示す特性図である。
【図９】防振部材５０の保持部５１の形状を示す説明図である。
【図１０】各性部材の形状における伝播定数と突起発生温度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…ケース、２０…センサ部、２１…振動子、２２…基台、５０…防振部材、５１…保持部、５２…バネ部、６０…フレーム
【図１】
0003596436.tif 000002
【図２】
0003596436.tif 000003
【図３】
0003596436.tif 000004
【図４】
0003596436.tif 000005
【図５】
0003596436.tif 000006
【図６】
0003596436.tif 000007
【図７】
0003596436.tif 000008
【図８】
0003596436.tif 000009
【図９】
0003596436.tif 000010
【図１０】
0003596436.tif 000011