(57)【要約】【課題】３軸の角速度を測定するためのＸ軸及びＹ軸の駆動を位相差をおいて同時に行うことにより、一つの質量体を用いて３軸の角速度を測定することができる慣性センサ及びこれを用いた角速度測定方法を提供する。【解決手段】本発明による慣性センサ１００は、板状のメンブレイン１１０と、メンブレイン１１０の下部に備えられた質量体１２０と、メンブレイン１１０の外側端下部に備えられ、質量体１２０を囲むポスト１３０と、メンブレイン１１０上に形成される圧電体１４０と、圧電体１４０上に形成される検知電極１５０と、検知電極１５０の外縁上に離隔されて形成される駆動電極１６０と、質量体１２０のＸ軸方向の振動のための第１駆動電圧及びＹ軸方向の振動のための第２駆動電圧を印加する駆動制御部と、を含み、前記第１駆動電圧及び前記第２駆動電圧は、９０度の位相差を有するように駆動電極１６０に同時に印加されるＡＣ駆動電圧であるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のメンブレインと、
前記メンブレインの下部に備えられた質量体と、
前記メンブレインの外側端下部に備えられ、前記質量体を囲むポストと、
前記メンブレイン上に形成される圧電体と、
前記圧電体上に形成される検知電極と、
前記検知電極の外縁上に離隔されて形成される駆動電極と、
前記質量体のＸ軸方向の振動のための第１駆動電圧及びＹ軸方向の振動のための第２駆動電圧を印加する駆動制御部と、を含み、
前記第１駆動電圧及び前記第２駆動電圧は、９０度の位相差を有するように前記駆動電極に同時に印加されるＡＣ駆動電圧であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
前記第１駆動電圧は正弦（ｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であり、前記第２駆動電圧は余弦（ｃｏｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項３】
前記第１駆動電圧及び前記第２駆動電圧は、前記駆動制御部により、前記駆動電極に時分割なしに持続的に印加されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項４】
前記質量体は、単一の質量体で形成されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項５】
前記検知電極は、前記駆動電極に比べ前記圧電体の中心に近いことを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項６】
前記検知電極は、前記駆動電極に比べ前記圧電体の中心から遠いことを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項７】
前記検知電極は前記メンブレイン上に円弧状に形成され、前記駆動電極は前記検知電極の外縁上に対応する円弧状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項８】
駆動制御部が、ＡＣ駆動電圧である第１駆動電圧及び前記第１駆動電圧と９０度の位相差を有する第２駆動電圧を駆動電極に同時に印加する段階と、
前記第１駆動電圧はＸ軸駆動部に印加され、前記第２駆動電圧はＹ軸駆動部に印加される段階と、
前記Ｘ軸駆動部及びＹ軸駆動部による質量体のＸ軸及びＹ軸方向の振動を機械的センサ部が検知する段階と、
前記機械的センサ部により検知されたＸ軸方向の振動を検知してＹ軸またはＺ軸の角速度を第１検知部が検知し、前記Ｙ軸方向の振動を検知してＸ軸またはＺ軸の角速度を第２検知部が検知する段階と、
前記第１検知部及び第２検知部の検知信号を復調して、前記第１検知部によるＹ軸及びＺ軸の角速度を抽出し、前記第２検知部によるＸ軸及びＺ軸の角速度を抽出して、各軸の角速度信号を出力部が出力する段階と、を含む角速度測定方法。
【請求項９】
前記第１駆動電圧は正弦（ｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であり、前記第２駆動電圧は余弦（ｃｏｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であることを特徴とする請求項８に記載の角速度測定方法。
【請求項１０】
前記機械的センサ部は、前記Ｘ軸駆動部による振動と前記Ｙ軸駆動部による振動の物理的な力の大きさ及び方向の和を算出して、Ｘ軸方向の振動の最大値またはＹ軸方向の振動の最大値をセンシングすることを特徴とする請求項８に記載の角速度測定方法。
【請求項１１】
前記第１駆動電圧及び前記第２駆動電圧は、前記駆動電極に時分割なしに持続的に印加されることを特徴とする請求項８に記載の角速度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサ及びこれを用いた角速度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、慣性センサは、人工衛星、ミサイル、無人航空機などの軍需用を始め、エアバッグ（Ａｉｒ  Ｂａｇ）、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）、車両用ブラックボックス（Ｂｌａｃｋ  Ｂｏｘ）などの車両用、カムコーダの手振れ防止用、携帯電話やゲーム機のモーションセンシング用、ナビゲーション用など、様々な用途に用いられている。
【０００３】
このような慣性センサは、加速度と角速度を測定するために、通常、メンブレイン（Ｍｅｍｂｒａｎｅ）などの弾性基板に質量体を接着した構成を採用している。上記の構成により慣性センサは、質量体に印加される慣性力を測定して加速度を算出したり、質量体に印加されるコリオリ力を測定して角速度を算出することができる。
【０００４】
慣性センサを用いて加速度及び角速度を測定する過程を具体的に説明すると、以下のとおりである。まず、加速度は、ニュートンの運動法則「Ｆ＝ｍａ」式によって求めることができる。ここで、「Ｆ」は質量体に作用する慣性力、「ｍ」は質量体の質量、「ａ」は測定しようとする加速度である。このうち、質量体に作用する慣性力（Ｆ）を検知して、一定値である質量体の質量（ｍ）で割ることで加速度（ａ）を求めることができる。また、角速度は、コリオリ力（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ  Ｆｏｒｃｅ）「Ｆ＝２ｍΩ×ｖ」式によって求めることができる。ここで、「Ｆ」は質量体に作用するコリオリ力、「ｍ」は質量体の質量、「Ω」は測定しようとする角速度、「ｖ」は質量体の運動速度である。このうち、質量体の運動速度（ｖ）と質量体の質量（ｍ）は既に認知している値であるため、質量体に作用するコリオリ力（Ｆ）を検知することで角速度（Ω）を求めることができる。
【０００５】
従来、３軸の角速度を測定するためには、一つのマス（Ｍａｓｓ）を使用する際に時分割を利用したり、特許文献１に開示されたように二つのマス（Ｍａｓｓ）を活用していた。特に、時分割を利用して３軸の角速度を測定する場合、Ｘ軸駆動−>停止−>Ｙ軸駆動−>停止を繰り返すことにより軸を変換させる区間でクロストーク（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生するという問題点があった。また、このようなクロストークを防止するためには、二つの軸の駆動時間差が十分広くなければならないが、これにより、センサのサンプリングレート（Ｓａｍｐｌｉｎｇ  ｒａｔｅ）が低下するという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１１７２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の従来技術の問題点を解決するためのものであって、本発明の一側面は、３軸の角速度を測定するためのＸ軸及びＹ軸の駆動を位相差をおいて同時に行うことにより、一つの質量体を用いて３軸の角速度を測定することができる慣性センサ及びこれを用いた角速度測定方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施例による慣性センサは、板状のメンブレインと、前記メンブレインの下部に備えられた質量体と、前記メンブレインの外側端下部に備えられ、前記質量体を囲むポストと、前記メンブレイン上に形成される圧電体と、前記圧電体上に形成される検知電極と、前記検知電極の外縁上に離隔されて形成される駆動電極と、前記質量体のＸ軸方向の振動のための第１駆動電圧及びＹ軸方向の振動のための第２駆動電圧を印加する駆動制御部と、を含み、前記第１駆動電圧及び前記第２駆動電圧は、９０度の位相差を有するように前記駆動電極に同時に印加されるＡＣ駆動電圧であることを特徴とする。
【０００９】
一実施例による慣性センサにおいて、前記第１駆動電圧は正弦（ｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であり、前記第２駆動電圧は余弦（ｃｏｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であることを特徴とする。
【００１０】
一実施例による慣性センサにおいて、前記第１駆動電圧及び前記第２駆動電圧は、前記駆動制御部により、前記駆動電極に時分割なしに持続的に印加されることを特徴とする。
【００１１】
一実施例による慣性センサにおいて、前記質量体は、単一の質量体で形成されることを特徴とする。
【００１２】
一実施例による慣性センサにおいて、前記検知電極は、前記駆動電極に比べ前記圧電体の中心に近いことを特徴とする。
【００１３】
一実施例による慣性センサにおいて、前記検知電極は、前記駆動電極に比べ前記圧電体の中心から遠いことを特徴とする。
【００１４】
一実施例による慣性センサにおいて、前記検知電極は前記メンブレイン上に円弧状に形成され、前記駆動電極は前記検知電極の外縁上に対応する円弧状に形成されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の一実施例による角速度測定方法は、駆動制御部が、ＡＣ駆動電圧である第１駆動電圧及び前記第１駆動電圧と９０度の位相差を有する第２駆動電圧を駆動電極に同時に印加する段階と、前記第１駆動電圧はＸ軸駆動部に印加され、前記第２駆動電圧はＹ軸駆動部に印加される段階と、前記Ｘ軸駆動部及びＹ軸駆動部による質量体のＸ軸及びＹ軸方向の振動を機械的センサ部が検知する段階と、前記機械的センサ部により検知されたＸ軸方向の振動を検知してＹ軸またはＺ軸の角速度を第１検知部が検知し、前記Ｙ軸方向の振動を検知してＸ軸またはＺ軸の角速度を第２検知部が検知する段階と、前記第１検知部及び第２検知部の検知信号を復調して、前記第１検知部によるＹ軸及びＺ軸の角速度を抽出し、前記第２検知部によるＸ軸及びＺ軸の角速度を抽出して、各軸の角速度信号を出力部が出力する段階と、を含むことができる。
【００１６】
一実施例による角速度測定方法において、前記第１駆動電圧は正弦（ｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であり、前記第２駆動電圧は余弦（ｃｏｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であることを特徴とする。
【００１７】
一実施例による角速度測定方法において、前記機械的センサ部は、前記Ｘ軸駆動部による振動と前記Ｙ軸駆動部による振動の物理的な力の大きさ及び方向の和を算出して、Ｘ軸方向の振動の最大値、またはＹ軸方向の振動の最大値をセンシングすることを特徴とする。
【００１８】
一実施例による角速度測定方法において、前記第１駆動電圧及び前記第２駆動電圧は、前記駆動電極に時分割なしに持続的に印加されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、角速度測定のための時分割時に発生するクロストークを防止することができる効果がある。
【００２０】
また、直進する正弦波及び余弦波のＸ軸及びＹ軸の駆動電圧を同時に印加することにより、信号処理を単純化して慣性センサの角速度測定の信頼性を増大させることができる効果がある。
【００２１】
また、同時に印加される二つの軸の駆動電圧と前記駆動電圧によって運動する質量体との間の同期化によるサンプリングレートを増加することができる効果がある。
【００２２】
また、９０度の位相差を有する二つの軸の駆動のためのＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｖｏｌｔａｇｅ）駆動電圧を印加することにより、質量体の安定的かつ持続的な振動によって３軸の角速度測定の信頼性を確保することができる効果がある。
【００２３】
また、一つの質量体を用いても時分割なしに３軸の角速度を円滑に測定することができるため、構造を単純化し、慣性センサを含むモジュールの生産性を向上させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例による慣性センサの断面図である。
【図２】本発明の他の実施例による慣性センサの平面図である。
【図３】図１の慣性センサのメンブレインの変位が発生する過程を図示した断面図である。
【図４Ａ】本発明の駆動電極に印加される駆動電圧の位相差及び各軸の変位を示すグラフである。
【図４Ｂ】本発明の駆動電極に印加される駆動電圧の位相差及び各軸の変位を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例による慣性センサの角速度測定による駆動電極の振動方向を時間の流れ方向に図示した平面図である。
【図６】本発明の一実施例による慣性センサの角速度測定方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は、添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。
【００２６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施例による慣性センサの断面図であり、図２は、本発明の他の実施例による慣性センサの平面図であり、図３は、図１の慣性センサのメンブレインの変位が発生する過程を図示した断面図である。
【００２８】
本発明の一実施例による慣性センサ１００は、板状のメンブレイン１１０と、前記メンブレイン１１０の下部に備えられた質量体１２０と、前記メンブレイン１１０の外側端下部に備えられ、前記質量体１２０を囲むポスト１３０と、前記メンブレイン１１０上に形成される圧電体１４０と、前記圧電体１４０上に形成される検知電極１５０と、前記検知電極１５０の外縁上に離隔されて形成される駆動電極１６０と、前記質量体１２０のＸ軸方向の振動のための第１駆動電圧及びＹ軸方向の振動のための第２駆動電圧を印加する駆動制御部（不図示）と、を含み、前記第１駆動電圧及び前記第２駆動電圧は、９０度の位相差を有するように前記駆動電極１６０に同時に印加されるＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｖｏｌｔａｇｅ）駆動電圧であることを特徴とする。
【００２９】
特に、本発明の慣性センサ１００は、駆動電極１６０に電圧を印加する駆動制御部（不図示）により、交流電圧として、９０度の位相差を有する第１駆動電圧及び第２駆動電圧を同時に印加することにより、時分割なしに３軸の加速度を測定することを特徴とする。
【００３０】
以下、一実施例による慣性センサ１００の構成及びその慣性センサ１００を用いた角速度の測定方法について説明する。
【００３１】
前記メンブレイン１１０は、板状に形成され、質量体１２０が振動するように弾性を有する。ここで、メンブレイン１１０の境界は、正確に区画されないが、メンブレイン１１０の中央に備えられたメンブレインの中央部分１１３と、メンブレイン１１０の外側に沿って備えられたメンブレインの縁１１５とに区画することができる。この際、メンブレインの中央部分１１３の下部には、質量体１２０が配置されるため、メンブレインの中央部分１１３には、質量体１２０の動きに対応する変位が発生する。また、メンブレインの縁１１５の下部には、ポスト１３０が配置され、メンブレインの中央部分１１３を支持する役割を遂行する。一方、メンブレイン１１０の材質は、特に限定されるものではないが、両面に酸化膜１１９が形成されたシリコン基板１１７を採用することができる。
【００３２】
前記質量体１２０は、慣性力やコリオリ力によって変位が発生するものであり、メンブレイン１１０の外側端下部に備える。特に、図１に図示されたように、メンブレインの中央部１１３の下部に備えることが好ましい。また、前記ポスト１３０は、中空状に形成されてメンブレイン１１０を支持することにより、質量体１２０を変位させることができる空間を確保する役割をするものであり、メンブレインの縁１１５の下部に備える。ここで、質量体１２０は、例えば、円柱状に形成することができ、ポスト１３０は、中心に四角の空洞が形成された四角柱状に形成することができる。即ち、横断面を基準として、質量体１２０は、円形に形成され、ポスト１３０は、中央に四角の開口が備えられた四角形に形成される。但し、上述の質量体１２０及びポスト１３０の形状は、例示的なものにすぎず、必ずしもこれに限定されるものではなく、当業界にて公知された全ての形状の質量体１２０及びポスト１３０を用いることができる。一方、上述のメンブレイン１１０、質量体１２０及びポスト１３０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などのシリコン基板１１７を選択的にエッチングして形成することができる。
【００３３】
メンブレイン１１０には、圧電体１４０を備え、質量体１２０を駆動させたり、質量体１２０の変位を検知することができる。ここで、圧電体１４０は、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸塩（ＰｂＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などで形成することができる。具体的には、圧電体１４０に電圧が印加されると、圧電体１４０が膨張及び縮小する逆圧電効果が発生し、このような逆圧電効果を利用して、メンブレイン１１０の下部に備えられた質量体１２０を駆動することができる。一方、圧電体１４０に応力が加えられると、電位差が現われる圧電効果が発生し、このような圧電効果を利用して、メンブレイン１１０の下部に備えた質量体１２０の変位を検知することができる。また、圧電体１４０の逆圧電効果及び圧電効果を領域毎に利用するために、圧電体１４０は、複数個にパターニングされて形成することができる。例えば、図２に図示された検知電極１５０及び駆動電極１６０に対応する位置に、夫々パターニングされて形成することができる。
【００３４】
前記検知電極１５０には、メンブレイン１１０の変位によって電圧が発生し、制御部（不図示）がメンブレイン１１０の変位を検知できるようにする。図３に図示されたように、メンブレイン１１０に変位が発生すると、圧電体１４０に電気的分極が生じて、これにより検知電極１５０には、電圧が発生する。従って、制御部は、検知電極１５０に発生した電圧に基づいて、メンブレイン１１０の変位を測定することができる。
【００３５】
前記駆動電極１６０は、圧電体１４０に電圧を印加して、圧電体１４０がメンブレイン１１０を振動させることができるようにする役割を遂行する。具体的には、駆動電極１６０に電圧を印加すると、圧電体１４０に電気的エネルギーが加えられて駆動力が発生し、これによりメンブレイン１１０を振動させることができる。特に、本発明では、駆動制御部により、第１駆動電圧及び第２駆動電圧が同時に駆動電極１６０に印加させることを特徴とする。第１駆動電圧及び第２駆動電圧は、９０度の位相差を有する交流電圧であるＡＣ駆動電圧を用いることが好ましい。これについての詳細な説明は後述する。
【００３６】
共通電極１７０は、前記検知電極１５０及び駆動電極１６０に対応するように圧電体１４０の反対面に配置される。図１に図示されたように、圧電体１４０の一面上の全面に配置することができるが、検知電極１５０及び駆動電極１６０に対応するように、パターニングされて形成することもできる。共通電極１７０は、検知電極１５０または駆動電極１６０に含まれるものであり、電位差の発生のために形成される。従って、共通電極１７０は、検知電極１５０または駆動電極１６０と実質的に同様の作用をすることができる。
【００３７】
一方、メンブレインの中央部分１１３とメンブレインの縁１１５との間が弾性変形するため、検知電極１５０及び駆動電極１６０は、メンブレインの中央部分１１３とメンブレインの縁１１５との間に対応する部分に備えることが好ましい。但し、検知電極１５０及び駆動電極１６０は、必ずしもメンブレインの中央部分１１３とメンブレインの縁１１５との間に対応する部分に備えなければならないのではなく、一部がメンブレインの中央部分１１３やメンブレインの縁１１５に対応する部分に備えることができる。ここで、検知電極１５０及び駆動電極１６０の位置は、圧電体の中心Ｃを基準として互いに変更することができる。即ち、検知電極１５０が駆動電極１６０に比べ、圧電体の中心Ｃに近く備えたり（図２参照）、検知電極１５０が駆動電極１６０に比べ、圧電体の中心Ｃから遠く備えることができる。
【００３８】
駆動制御部（不図示）は、質量体１２０のＸ軸方向の振動のための第１駆動電圧と質量体１２０のＹ軸方向の振動のための第２駆動電圧を駆動電極１６０に同時に印加する。第１駆動電圧及び第２駆動電圧は、９０度の位相差を有するように印加されるＡＣ駆動電圧であることが好ましい。ここで、第１駆動電圧を正弦（ｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧とし、第２駆動電圧を余弦（ｃｏｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧として９０度の位相差を有する交流電圧を印加することができる。Ｘ軸方向及びＹ軸方向の振動のための第１駆動電圧及び第２駆動電圧を同時に印加しても、各位相差によってＸ軸方向の振動が最大となる時、Ｙ軸方向の振動がほぼゼロに近くなるため、実質的には、夫々の軸駆動のための電圧が印加されるようになり、時分割を利用して他の軸駆動のために駆動電圧を印加することと同様の効果が得られる。また、本発明では、時分割なしにＸ軸及びＹ軸を振動させて３軸の角速度を測定することにより、軸変換区間の間に発生するクロストーク（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）を防止することができるという利点がある。また、第１駆動電圧と第２駆動電圧は、位相差によってＸ軸の振動及びＹ軸の振動信号が持続的に印加され、このような信号とＸ軸及びＹ軸の運動が同期化されることにより、信号処理の単純化が可能である。また、上記のような信号と運動の同期化により、サンプリングレート（Ｓａｍｐｌｉｎｇ  ｒａｔｅ）が増加するという効果が得られる。また、Ｘ軸駆動及びＹ軸駆動のための駆動電圧を同時に印加することにより、一つの質量体１２０を用いても、時分割なしに３軸の角速度を測定することができる。角速度の測定方法についての詳細な内容は後述する。
【００３９】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の駆動電極に印加される駆動電圧の位相差及び各軸の変位を示すグラフであり、図５は、本発明の一実施例による慣性センサの角速度測定による駆動電極の振動方向を時間の流れ方向に図示した平面図である。
【００４０】
図４Ａに図示されたように、本発明は、駆動制御部により、Ｘ軸駆動電圧である第１駆動電圧とＹ軸駆動電圧である第２駆動電圧を９０度の位相差を有する交流電圧で同時に印加する。図４Ａに示すように、第１駆動電圧及び第２駆動電圧が印加される最初時点Ａ地点では、第１駆動電圧がゼロとなり、９０度の位相差を有する第２駆動電圧は最大電圧を印加する。即ち、図４Ｂにおいて、Ｘ軸変位は前記Ａ地点に対応するａ地点でゼロとなり、Ｙ軸変位はａ地点で最大変位を示す。従って、Ｙ軸駆動が最大となり、Ｘ軸駆動は、ほぼゼロに近いため、真のＹ軸駆動による振動を検知してＸ軸またはＺ軸の角速度を算出することができる。
【００４１】
次に、図４ＡのＢ地点では、Ｘ軸駆動による第１駆動電圧が最大に印加され、Ｙ軸駆動による第２駆動電圧は最小に印加される。同様に、対応する図４ＢのＸ軸変位はｂ地点で最大となり、Ｙ軸変位はｂ地点でほぼゼロに近くなるため、この場合は、真のＸ軸駆動による振動を検知してＹ軸またはＺ軸の角速度を算出することができる。
【００４２】
第１駆動電圧及び第２駆動電圧が９０度の位相差を有するように印加されることにより、図４ＡのＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各地点から図４Ｂのａ、ｂ、ｃ、ｄのＸ軸またはＹ軸の最大変位が交互に現われるため、各軸の振動を時分割なしに測定することができる。
【００４３】
図５は、実質的に駆動制御部によって第１駆動電圧及び第２駆動電圧が印加される場合、質量体１２０の振動運動を図式的に示した図面である。
【００４４】
図４ＡのＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ地点の間での振動は、Ｘ軸振動とＹ軸振動が共存する。従って、各振動の大きさと方向のベクトル和に応じて質量体１２０が運動するため、実質的には、図５に図示されたように、質量体１２０は持続的に円運動をする。図４Ｂのａ地点では、図５のａ´地点のようにＹ軸変位が最大に振動し、図４Ｂのｂ地点にいくほどＹ軸変位は減少してＸ軸変位が増加し、ｂ地点でＸ軸変位が最大となって、図５のｂ´地点のようにＸ軸変位が最大に振動する。このような過程を持続的に繰り返すことにより、時分割によるクロストークが発生することなく、３軸の角速度を安定して測定することができる。結局、第１駆動電圧及び第２駆動電圧を持続的に印加することにより、質量体は、図５に図示されたように回転運動をする。
【００４５】
図６は、本発明の一実施例による慣性センサの角速度測定方法を説明するためのフローチャートである。
【００４６】
本発明の一実施例による角速度測定方法は、駆動制御部が、ＡＣ駆動電圧である第１駆動電圧及び前記第１駆動電圧と９０度の位相差を有する第２駆動電圧を駆動電極１６０に同時に印加する段階（Ｓ１０）と、前記第１駆動電圧はＸ軸駆動部に印加され（Ｓ２０）、前記第２駆動電圧はＹ軸駆動部に印加される段階（Ｓ３０）と、前記Ｘ軸駆動部及びＹ軸駆動部による質量体１２０のＸ軸及びＹ軸方向の振動を機械的センサ部が検知する段階（Ｓ４０）と、前記機械的センサ部により検知されたＸ軸方向の振動を検知してＹ軸またはＺ軸の角速度を第１検知部が検知し（Ｓ５０）、前記Ｙ軸方向の振動を検知してＸ軸またはＺ軸角速度を第２検知部が検知する段階（Ｓ６０）と、前記第１検知部及び第２検知部の検知信号を復調して、前記第１検知部によるＹ軸及びＺ軸角速度を抽出し、前記第２検知部によるＸ軸及びＺ軸の角速度を抽出して、各軸の角速度信号を出力部が出力する段階（Ｓ７０）と、を含むことができる。
【００４７】
まず、駆動制御部が、ＡＣ駆動電圧である第１駆動電圧及び前記第１駆動電圧と９０度の位相差を有する第２駆動電圧を駆動電極１６０に同時に印加する段階（Ｓ１０）である。ここで、第１駆動電圧及び第２駆動電圧は、上述したようにＡＣ駆動電圧であり、第１駆動電圧は正弦（ｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧、前記第２駆動電圧は余弦（ｃｏｓｉｎｅ）波形態のＡＣ駆動電圧であることが好ましい。第１駆動電圧及び第２駆動電圧は、時分割なしに駆動電極１６０に持続的に印加されることを特徴とする。
【００４８】
次に、前記第１駆動電圧はＸ軸駆動部に印加され（Ｓ２０）、前記第２駆動電圧はＹ軸駆動部に印加される段階（Ｓ３０）である。第１駆動電圧及び第２駆動電圧がＸ軸駆動部及びＹ軸駆動部に印加されると、前記Ｘ軸駆動部及びＹ軸駆動部による質量体１２０のＸ軸及びＹ軸方向の振動を機械的センサ部が検知する（Ｓ４０）。質量体１２０の変位が発生すると、上述したように、メンブレイン１１０の変位によって圧電体１４０の電気的分極が生じ、これにより検知電極１５０に電圧が発生する。これにより、後述する第１検知部及び第２検知部により、３軸の角速度信号を検知することができる。機械的センサ部は、Ｘ軸駆動部による振動と前記Ｙ軸駆動部による振動の物理的な力の大きさ及び方向の和を算出してＸ軸方向の振動の最大値またはＹ軸方向の振動の最大値をセンシングする。これにより、後述する第１検知部及び第２検知部によって３軸の角速度を算出することができる。
【００４９】
次に、前記機械的センサ部により検知されたＸ軸方向の振動を検知してＹ軸またはＺ軸の角速度を第１検知部が検知し（Ｓ５０）、前記Ｙ軸方向の振動を検知してＸ軸またはＺ軸角速度を第２検知部が検知する段階（Ｓ６０）である。図４Ａ及び図４Ｂのグラフから分かるように、第１駆動電圧及び第２駆動電圧が９０度の位相差を有するＡＣ駆動電圧で印加されることにより、Ｙ軸変位が最大である時（Ｙ軸変位グラフのａ地点）、Ｘ軸変位がほぼゼロに近くなるため（Ｘ軸変位グラフのａ地点）、時分割なしにＹ軸の振動及び変位を検知してＸ軸とＺ軸の角速度を算出することができる。同様に、Ｘ軸変位が最大である時（Ｘ軸変位グラフのｂ地点）、Ｙ軸変位はほぼゼロに近くなるため（Ｙ軸変位グラフのｂ地点）、時分割なしに真のＹ軸を駆動させることにより、Ｘ軸とＺ軸の角速度を算出することができる。
【００５０】
次に、前記第１検知部及び第２検知部の検知信号を復調して、前記第１検知部によるＹ軸及びＺ軸角速度を抽出し、前記第２検知部によるＸ軸及びＺ軸の角速度を抽出して、各軸の角速度信号を出力部が出力する段階（Ｓ７０）である。第１検知部及び第２検知部により３軸の角速度が求められると、これを３次元的に解釈して最終的な角速度を総合し、出力部を介して出力する。この過程で、第１検知部及び第２検知部により検知された３軸の角速度を抽出する時、復調によって各軸の角速度を抽出することができる。復調は、通常、変調されている高周波から信号をより分けることであり、ここでは、第１検知部及び第２検知部により算出される各軸の角速度を夫々抽出し、これを総合する過程で復調過程を経る。
【００５１】
ここでは、本発明の一実施例による角速度測定方法を説明したが、特に、第１駆動部及び第２駆動部が時分割なしに持続的に印加されることは、上記の一実施例による慣性センサについての説明と重複されるため、詳細な説明は省略する。また、角速度が測定される各段階の具体的な説明は、上記の一実施例による慣性センサの構成及び作動についての説明と重複されるため、省略する。
【００５２】
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
【００５３】
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、３軸の角速度を測定するためのＸ軸及びＹ軸の駆動を位相差をおいて同時に行うことにより、一つの質量体を用いて３軸の角速度を測定することができる慣性センサ及びこれを用いた角速度測定方法に適用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１００  慣性センサ
１１０  メンブレイン
１１３  メンブレインの中央部分
１１５  メンブレインの縁
１１７  シリコン基板
１１９  酸化膜
１２０  質量体
１３０  ポスト
１４０  圧電体
１５０  検知電極
１６０  駆動電極
１７０  共通電極
Ｃ  圧電体の中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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