(57)【要約】【課題】本発明は、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する環境下においても、正確に角速度を検出することができる角速度センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明の角速度センサは、ケース３０の外側に周囲の温度を測定する外側温度センサを設けるとともに、ケース３０の内側にケース３０の内側の温度を測定する内側温度センサ５８を設け、さらに前記ケース３０の内側に温度可変素子５７を設けた構成としたものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、この振動子を収納するケースと、このケースの内側に設けられるとともに前記振動子を駆動する駆動回路を設け、かつ前記振動子からの出力信号を処理する検出回路を設けたＩＣと、前記検出回路から出力される出力信号を補正する補正データを設けた記憶手段と、前記ケースの外側に設けられるとともに周囲の温度を測定する外側温度センサと、前記ケースの内側に設けられるとともにケースの内側の温度を測定する内側温度センサとを備え、前記ケースの内側に温度可変素子を設け、かつこの温度可変素子により前記温度センサからの温度測定データを基にケースの内側の温度を所定の温度に変化させるように構成した角速度センサ。
【請求項２】
温度可変素子を振動子の近傍に位置して設けた請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
温度可変素子をペルチェ素子で構成した請求項１記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御に利用する角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の角速度センサは、図８に示すような構成を有していた。
【０００３】
図８は従来の角速度センサの斜視図を示したもので、この図８において、１は振動子で、この振動子１はケース２内に収納されている。３は温度センサで、この温度センサ３は前記ケース２の内側に収納されるとともに、前記振動子１の近傍の温度を検出するものである。４はペルチェ素子で、このペルチェ素子４は前記ケース２の上面に設けられている。５は温度制御手段で、この温度制御手段５は前記温度センサ３からの出力信号を基に、ペルチェ素子４に流れる電流の方向および量を制御して、ケース２内の温度を一定の値に制御するものである。
【０００４】
以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。
【０００５】
振動子１に交流電圧を印加することにより、振動子１をＹ軸方向に対称振動させ、その振動状態を維持したまま、振動子１をＺ軸周りに角速度ωで回転させると、振動子１にコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力により振動子１に発生する電荷を出力電圧に変換することによって、角速度を検出するものである。
【０００６】
ここで、角速度センサを設置している周辺の温度が変化する場合を考えて見ると、従来の角速度センサにおいては、温度センサ３により、ケース２内の温度を検出するとともに、温度制御手段５により、ペルチェ素子４に加わる電流の方向および量を制御することで、ケース１内の温度を所定の値に制御することにより、温度変化により生じる出力信号の変動を防止するようにしていた。
【０００７】
なお、この出願の発明に関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。
【特許文献１】特開平５−１８７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した従来の構成においては、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する環境下においては、ケース２の内側に温度センサ３を設けているため、ケース２により熱の伝達が減衰することになり、これにより、角速度センサの周囲の温度を正確に検出できなくなるため、ペルチェ素子４により振動子１の周囲の温度を制御しようとしても、精度良く温度制御ができなくなり、その結果、正確に角速度を検出できなくなってしまうという課題を有していた。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する環境下においても、正確に角速度を検出することができる角速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、振動子と、この振動子を収納するケースと、このケースの内側に設けられるとともに前記振動子を駆動する駆動回路を設け、かつ前記振動子からの出力信号を処理する検出回路を設けたＩＣと、前記検出回路から出力される出力信号を補正する補正データを設けた記憶手段と、前記ケースの外側に設けられるとともに周囲の温度を測定する外側温度センサと、前記ケースの内側に設けられるとともにケースの内側の温度を測定する内側温度センサとを備え、前記ケースの内側に温度可変素子を設け、かつこの温度可変素子により前記温度センサからの温度測定データを基にケースの内側の温度を所定の温度に変化させるように構成したもので、この構成によれば、ケースの外側に周囲の温度を測定する外側温度センサを設けるとともに、ケースの内側にケースの内側の温度を測定する内側温度センサを設け、さらに前記ケースの内側に温度可変素子を設けているため、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する環境下においては、外側温度センサと内側温度センサとの測定温度の相違に応じて、温度可変素子により制御する温度を変化させることができ、これにより、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する場合においても、瞬時に、振動子の周囲の温度を安定化させることができるという作用効果を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、温度可変素子を振動子の近傍に位置して設けたもので、この構成によれば、温度可変素子を振動子の近傍に位置して設けているため、振動子の周辺の温度を正確に制御することができ、これにより、出力信号が安定するという作用効果を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、温度可変素子をペルチェ素子で構成したもので、この構成によれば、温度可変素子をペルチェ素子で構成しているため、振動子の近傍の温度を幅広い温度範囲に調整できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明の角速度センサは、振動子と、この振動子を収納するケースと、このケースの内側に設けられるとともに前記振動子を駆動する駆動回路を設け、かつ前記振動子からの出力信号を処理する検出回路を設けたＩＣと、前記検出回路から出力される出力信号を補正する補正データを設けた記憶手段と、前記ケースの外側に設けられるとともに周囲の温度を測定する外側温度センサと、前記ケースの内側に設けられるとともにケースの内側の温度を測定する内側温度センサとを備え、前記ケースの内側に温度可変素子を設け、かつこの温度可変素子により前記温度センサからの温度測定データを基にケースの内側の温度を所定の温度に変化させるように構成したもので、ケースの外側に周囲の温度を測定する外側温度センサを設けるとともに、ケースの内側にケースの内側の温度を測定する内側温度センサを設け、さらに前記ケースの内側に温度可変素子を設けているため、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する環境下においては、外側温度センサと内側温度センサとの測定温度の相違に応じて、温度可変素子により制御する温度を変化させることができ、これにより、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する場合においても、瞬時に、振動子の周囲の温度を安定化させることができるため、正確に角速度を検出することができるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの分解斜視図、図２は同角速度センサの側断面図、図３は同角速度センサにおける振動子の斜視図、図４は同角速度センサの回路図である。
【００１７】
図１〜図４において、２１は音叉形状の振動子で、この振動子２１は図３に示すように、四角柱状の水晶製の検出電極振動体２２と、この検出電極振動体２２と平行に設けられた水晶製の駆動電極振動体２３と、前記検出電極振動体２２の一端と駆動電極振動体２３の一端とを接続する水晶製の接続部２４とにより構成されている。そしてまた、振動子２１における駆動電極振動体２３には、４つの側面に金からなる第１の駆動電極２５および第２の駆動電極２６が設けられている。また、前記振動子２１における検出電極振動体２２の表面および裏面には金からなるモニタ電極２７がそれぞれ設けられるとともに、この検出電極振動体２２における内側の側面には金からなるＧＮＤ電極２８が設けられ、かつ外側の側面には金からなる第１の検出電極２９ａおよび第２の検出電極２９ｂが設けられている。
【００１８】
３０はセラミックからなるケースで、このケース３０は内底面から外底面にわたってセラミックと配線用導体の層構造からなる多層回路基板３１を設けており、そしてこの多層回路基板３１の上面には第１の配線用電極３２を設けている。また、多層回路基板３１の上面には前記第１の配線用電極３２と金あるいはアルミニウムからなるワイヤー線（図示せず）により電気的に接続されたＩＣ３５を設けている。そして前記ＩＣ３５はケース３０の内側に収納されるとともに、振動子２１における第１の検出電極２９ａおよび第２の検出電極２９ｂから出力される出力信号を処理するものである。また、前記ＩＣ３５は図４に示すように、駆動回路３６と検出回路３７とで構成されている。そして、このＩＣ３５における駆動回路３６は、振動子２１の一方のモニタ電極２７の電荷を入力する増幅器３９と、この増幅器３９の出力信号を入力するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０と、このバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０の出力信号を入力する整流器４１と、この整流器４１の出力信号を入力する平滑回路４２とにより構成されている。４３はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路４３は駆動回路３６における平滑回路４２の出力信号を入力し、かつバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。４４は駆動制御回路で、この駆動制御回路４４はＡＧＣ回路４３の出力信号を入力するとともに、振動子２１における第１の駆動電極２５および第２の駆動電極２６に駆動信号を入力するものである。
【００１９】
４５は反転アンプで、この反転アンプ４５は、前記駆動制御回路４４の出力信号を入力するとともに、振動子２１における第１の駆動電極２５に駆動制御回路４４の出力信号を反転させた駆動信号を入力するものである。また、前記検出回路３７は振動子２１における一方の検出電極２９ａにコリオリ力によって発生する電荷を電圧に変換する第１の増幅器４６と、他方の検出電極２９ｂにコリオリ力によって発生する電荷を電圧に変換する第２の増幅器４７と、前記第１の増幅器４６および第２の増幅器４７の出力信号を入力する差動増幅器４８と、この差動増幅器４８の出力信号を入力する位相器４９と、この位相器４９の出力信号を入力する同期検波器５０と、この同期検波器５０の出力信号を入力する平滑回路５１と、この平滑回路５１の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する直流アンプ５２とにより構成されている。さらに、前記ＩＣ３５には加算器５３を設けており、そして、この加算器５３により、前記検出回路３７における直流アンプ５２からの角速度信号に補正データを加算している。また、多層回路基板３１の上面には外周にわたってセラミックからなる側壁５４を設けている。さらに、前記ケース３０における内底面には図１に示すように、段差部５５を設けており、かつこの段差部５５には、図３に示す振動子２１における接続部２４を固着するとともに、この接続部２４を固着した両側に位置して第３の配線用電極５６を設けており、そしてこの第３の配線用電極５６は、ワイヤー線（図示せず）を介して振動子２１における第１の駆動電極２５、第２の駆動電極２６、検出電極２９、モニタ電極２７およびＧＮＤ電極２８と電気的に接続している。５７はペルチェ素子からなる温度可変素子で、この温度可変素子５７は前記ＩＣ３５の上面に一体に貼り付けられており、かつ前記振動子２１の周囲の温度を所定の温度に制御するものである。
【００２０】
上記本発明の一実施の形態においては、温度可変素子５７を振動子２１の近傍に位置して設けているため、振動子２１の周辺の温度を正確に制御することができ、これにより、出力信号が安定するという効果が得られるものである。
【００２１】
また、前記温度可変素子５７はペルチェ素子で構成しているため、振動子２１の近傍の温度を幅広い温度範囲に調整できるという効果が得られるものである。
【００２２】
５８は内側温度センサで、この内側温度センサ５８は前記ケース３０の内側に設けられるとともに、ケース３０の内側の温度を測定するものである。５９は金属製の蓋で、この蓋５９は前記ケース３０の開口部をケース３０の内側が真空雰囲気となるように封止するものである。６０は外側温度センサで、この外側温度センサ６０は前記ケース３０の外側に設けられており、角速度センサの外側の温度を検出するものである。６１はＡ／Ｄ変換器で、このＡ／Ｄ変換器６１は前記外側温度センサ６０からのアナログ出力信号をデジタル出力信号に変換している。さらに、角速度センサには、ＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段６２を設けており、この記憶手段６２は検出回路３７における直流アンプ５２から出力される出力信号の誤差を補正する補正データを保管している。
【００２３】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次に、その動作を説明する。
【００２４】
振動子２１の第１の駆動電極２５および第２の駆動電極２６に交流電圧を加えると振動子２１が共振し、振動子２１のモニタ電極２７に電荷が発生する。そして、このモニタ電極２７に発生した電荷は、駆動回路３６における増幅器３９に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこの増幅器３９の出力電圧をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０に入力し、振動子２１の共振周波数のみを抽出するとともに、ノイズ成分を除去し、図５（ａ）に示すような正弦波形を出力する。そしてまた、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０の出力信号を整流器４１に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換し、その後、平滑回路４２に入力することにより、直流電圧信号に変換する。そして、前記ＡＧＣ回路４３は平滑回路４２の直流電圧信号が大の場合にはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０の出力信号を減衰させるような信号を、また、平滑回路４２の直流電圧信号が小の場合にはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路４４に入力し、振動子２１の振動を一定振幅になるように調整するものである。ここで、振動子２１の駆動電極振動体２３が振動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、振動子２１の長手方向の中心軸周りに振動子２１が角速度ωで回転すると、この振動子２１の検出電極振動体２２にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力によって検出電極振動体２２に設けた一対の検出電極における第１の検出電極２９ａに図５（ｂ）に示すような電荷が発生するとともに、第２の検出電極２９ｂに図５（ｃ）に示すような電荷が発生する。そして第１の増幅器４６により、一方の検出電極２９ａから発生する電荷を図５（ｄ）に示すような出力電圧に変換する。また第２の増幅器４７は、他方の検出電極２９ｂから発生する電荷を反転増幅し、図５（ｅ）に示すような出力電圧に変換する。そしてまた、差動増幅器４８は第１の増幅器４６および第２の増幅器４７の出力信号の差動を取り、さらにこの差動増幅器４８の出力信号の位相を位相器４９により９０度遅らせて、図５（ｆ）に示すような出力電圧に変換する。そして、この位相器４９の出力信号を同期検波器５０に入力し、駆動回路３６におけるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０の振動の周期で位相検波させるとともに、位相器４９の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図５（ｇ）に示すような出力信号を得る。そして、同期検波器５０の出力電圧を平滑回路５１および直流アンプ５２により平滑化するとともに増幅し、図５（ｈ）に示すような出力信号を得る。そして、検出回路３７の直流アンプ５２の出力信号を角速度の信号として、加算器５３に入力する。
【００２５】
ここで、自動車におけるエンジンルーム内に角速度センサを設置し、この角速度センサの近傍の温度が−５５℃から１５０℃まで変化する場合を考えて見る。
【００２６】
まず、図６に示すように、温度槽６３の内部に設けた検査器６４に角速度センサを組み付けるとともに、自動車におけるエンジンルーム内と条件が同じになるように、角速度センサの近傍の温度を−５５℃から１５０℃まで変化させる。そして、角温度における外側温度センサ６０からの出力信号をＡ／Ｄ変換器６１を介して検査器６４におけるＣＰＵ６５に入力すると同時に、角速度を与えない状態における角速度センサの出力信号をＣＰＵ６５に入力する。そして、検査器６４におけるＣＰＵ６５により、各温度毎の角速度センサの出力信号が既に零出力になるような各温度毎の補正データを算出し、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭあるいはフラッシュメモリー等の記憶手段６２に保管する。
【００２７】
そして、自動車に角速度が加わると、角速度センサにおける検出回路３７から角速度信号が出力される。この場合、図７に示すように、制御手段６６により、記憶手段６２に保管した補正データをもとに、ＣＰＵ６７により算出した補正信号をＤ／Ａ変換器６８によりアナログ信号に変換する。そして、このアナログ信号を加算器５３によって、前記検出回路３７から出力される角速度信号に加算することにより、検出回路３７からの出力信号、すなわち角速度信号を補正するものである。
【００２８】
ここで、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する場合を考えて見ると、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、ケース３０の外側に周囲の温度を測定する外側温度センサ６０を設けるとともに、ケース３０の内側にケース３０の内側の温度を測定する内側温度センサ５８を設け、さらに前記ケース３０の内側に温度可変素子５７を設けているため、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する環境下においては、外側温度センサ６０と内側温度センサ５８との測定温度の相違に応じて、ペルチェ素子５７により制御する温度を変化させることができ、これにより、角速度センサの周囲の温度が急激に変化する場合においても、瞬時に、振動子２１の周囲の温度を安定化させることができるため、正確に角速度を検出することができるという効果を有するものである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る角速度センサは、角速度センサの周囲の温度が変化する環境下においても、正確に角速度を検出することができるという効果を有するものであり、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、自動車両等の移動体の姿勢制御に利用する角速度センサとして有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態における角速度センサの分解斜視図
【図２】同角速度センサの側断面図
【図３】同角速度センサにおける振動子の斜視図
【図４】同角速度センサの回路図
【図５】（ａ）〜（ｈ）本発明の一実施の形態における角速度センサの出力信号を示す波形図
【図６】同角速度センサの出力特性を検査する状態を示すブロック図
【図７】同角速度センサからの出力信号を補正する状態を示すブロック図
【図８】従来の角速度センサの斜視図
【符号の説明】
【００３１】
２１  振動子
３０  ケース
３５  ＩＣ
３６  駆動回路
３７  検出回路
５７  温度可変素子
５８  内側温度センサ
６０  外側温度センサ
６２  記憶手段
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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