(57)【要約】【課題】特定の軸周りの回転方向に、安定した角周波数の周期で、慣性センサを正逆回転させ、振動させることができる慣性センサの検査装置を提供すること。【解決手段】慣性力を検出する慣性センサ５０の周波数特性を検査する慣性センサの検査装置１０において、端面２１に慣性センサ５０を支持するための構造を有する支持柱２０と、支持柱２０の端面２１に対して音波を出力することにより、端面２１を支持柱２０の軸周りに共振させる共振手段４０と、を備える。【選択図】図１
2009128101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性力を検出する慣性センサの周波数特性を検査する慣性センサの検査装置において、
端面に前記慣性センサを支持するための構造を有する支持柱と、
前記支持柱の前記端面に対して音波を出力することにより、前記端面を前記支持柱の軸周りに共振させる共振手段と
を備える慣性センサの検査装置。
【請求項２】
前記支持柱を軸方向に沿って突出可能に固定する固定手段を更に備える請求項１記載の慣性センサの検査装置。
【請求項３】
前記支持柱は、筒状に形成され、端面に前記慣性センサを真空吸着するための開口部を有する請求項１又は２記載の慣性センサの検査装置。
【請求項４】
前記支持柱は、円筒状に形成され、端面に前記慣性センサを真空吸着するための開口部を有する請求項１又は２記載の慣性センサの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性力を検出する慣性センサの周波数特性を検査する慣性センサの検査装置に関し、特に角速度を検出する角速度センサの角周波数の特性を検査する角速度センサの検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、テスト音波をスピーカから出力し、空気振動によって慣性センサ（構造体）の可動部を振動させることにより、構造体である３軸加速度センサの特性を検査できる検査装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記従来の検査装置では、テスト音波をスピーカから出力する。スピーカから出力される疎密波であるテスト音波の到達すなわち空気振動により検出チップＴＰの構造体である３軸加速度センサの可動部が動く。この動きに基づいて変化する抵抗値の変化を、プローブ針を介して与えられる出力電圧に基づいて測定する。制御部は、測定された特性値すなわち測定データに基づいて３軸加速度センサの特性を検査する。
【特許文献１】特開２００６−３１３１３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成の検査装置は、空気振動によって、慣性センサ（構造体）の可動部を振動させる構成であるので、特定の方向に、安定した周波数の周期で、慣性センサの可動部を振動させ難い。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特定の軸周りの回転方向に、安定した角周波数の周期で、慣性センサを正逆回転させ、振動させることができる慣性センサの検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、第１の発明は、慣性力を検出する慣性センサの周波数特性を検査する慣性センサの検査装置において、
端面に前記慣性センサを支持するための構造を有する支持柱と、
前記支持柱の前記端面に対して音波を出力することにより、前記支持柱の前記端面を前記支持柱の軸周りに共振させる共振手段と
を備える。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明に係る慣性センサの検査装置であって、前記支持柱を軸方向に沿って突出可能に固定する固定手段を更に備える。
【０００８】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明に係る慣性センサの検査装置であって、前記支持柱は、筒状に形成され、端面に前記慣性センサを真空吸着するための開口部を有する。
【０００９】
また、第４の発明は、第１又は第２の発明に係る慣性センサの検査装置であって、前記支持柱は、円筒状に形成され、端面に前記慣性センサを真空吸着するための開口部を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、慣性センサを支持するための端面に対して音波を出力することにより、前記端面を前記支持柱の軸周りに共振させることができ、選択的に、支持柱の軸周りの回転方向に、共振周波数の周期で、慣性センサを正逆回転させ、振動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１２】
図１は、本発明の慣性センサの検査装置の構成の一実施例を示した概略図である。図２は、支持柱２０と固定手段３０との関係の一例を示した拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａからみた断面図である。本実施例の慣性センサの検査装置１０は、慣性力を検出する慣性センサ５０の周波数特性を検査するものである。慣性センサの検査装置１０は、図１、図２に示すように、上端面２１に慣性センサ５０を支持するための構造を有する支持柱２０と、支持柱２０を軸方向Ｇに沿って突出可能に固定する固定手段３０と、支持柱２０の上端面２１に対して音波を出力することにより、支持柱２０の上端面２１を支持柱２０の軸周りに共振させる共振手段４０と、を備える。尚、慣性センサ５０は、検査装置１０の検査対象であって、検査装置１０の構成要素でない。
【００１３】
まず、本実施例の検査対象である慣性センサ５０について説明する。
【００１４】
慣性センサ５０は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）センサであって、例えば、角速度を検出する角速度センサ、或いは、加速度を検出する加速度センサである。
【００１５】
この慣性センサ５０の構造は、一般的なものであってよい。例えば、角速度センサは、振動子と圧電素子とを含んで構成される。圧電素子によって振動子がＸ軸方向に励振された状態で、振動子がＺ軸（スピン軸）を回転軸として回転すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ力は、振動子を介して、圧電素子を押圧する。これにより、圧電素子がコリオリ力に応じた電気信号を出力するので、角速度を検出できる。尚、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交する座標軸である。
【００１６】
次に、本実施例の慣性センサの検査装置１０の各構成について説明する。
【００１７】
支持柱２０は、重力方向Ｇに延出されている。支持柱２０の上端面２１は、重力方向Ｇに対して、つまり支持柱２０の軸方向Ｇに対して、垂直な平面になっている。支持柱２０の上端面２１上には、上端面２１の水平レベルを示す水平ゲージが設置されてよい。これにより、支持柱２０が重力方向Ｇに延出されているか否か判別できる。
【００１８】
この支持柱２０は、樹脂、セラミックス、金属、又はこれらの複合材料で形成される。例えば、支持柱２０は、樹脂とセラミックスとの複合材料で形成されてよい。樹脂とセラミックスの構成比率を変更することによって、支持柱２０のヤング率、ポアソン比、密度等の物性を連続的に変更でき、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数を広い範囲で連続的に変更できる。
【００１９】
また、支持柱２０は、円筒状の形状であって、上端面２１に、慣性センサ５０を真空吸着するための開口部２１ａを有し、内部に、開口部２１ａから軸方向Ｇに沿って貫通穴２２を有してよい。真空ポンプ（図示せず）によって貫通穴２２の空気が排気されると、気圧差によって慣性センサ５０が支持柱２０の上端面２１に押圧固定され、貫通穴２２の空気が大気圧に戻ると、押圧固定が解除される。上端面２１と慣性センサ５０との間には、間隙の凹凸を吸収し、気密を確保するためのＳｉゴム等のパッキンやグリスを設置してよい。このように、真空吸着によって慣性センサ５０を支持固定するので、慣性センサ５０を支持柱２０へ容易に脱着できる。
【００２０】
慣性センサ５０が上端面２１に真空吸着された状態で、慣性センサ５０のスピン軸は、支持柱２０の軸に対して同軸的に配置される。例えば、１軸角速度センサの場合、１軸角速度センサのスピン軸が支持柱２０の軸に対して同軸的に配置される。また、３軸角速度センサの場合、３軸角速度センサの３つのスピン軸のうち測定すべきスピン軸が支持柱２０の軸に対して同軸的に配置される。
【００２１】
固定手段３０は、台座３１と、支柱３２ａ、３２ｂと、クランプ３３ａ、３３ｂと、締結部（図示せず）とを含んで構成されている。台座３１には、支柱３２ａ、３２ｂが垂直に突設され、クランプ３３ａ、３３ｂを水平に支持する。クランプ３３ａ、３３ｂは、支持柱２０を内嵌し、締結部のボルト締結力によって、クランプ３３ａ、３３ｂの内周面で支持柱２０の外周面の一部範囲を押圧固定する。このボルト締結力の締め付けトルクは、トルクレンチを用いることによって、一定に制御される。
【００２２】
ボルト締結力による押圧固定を解除すると、クランプ３３ａ、３３ｂに内嵌される支持柱２０を軸方向Ｇに沿って移動できる。これにより、クランプ３３ａ、３３ｂからスピーカ４１側へ突出する支持柱２０の突出寸法Ｌを連続的に変更できる。この結果、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の重心位置を変更でき、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数を連続的に変更できる。
【００２３】
この固定手段３０は、支持柱２０の振動に応じて振動しないよう、十分な剛性を有する材料で形成される。例えば、固定手段３０は、鋳鉄、ステンレス鋼等で形成される。固定手段３０を構成する構成要素間には、振動の伝達を防止するため、振動を吸収する免震機構を設置してもよい。固定手段３０を振動させないことによって、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振を、目標の狭い周波数帯で起こすことができる。
【００２４】
共振手段４０は、例えば、スピーカ４１と、スピーカ４１を制御する制御部４２と、を含んで構成される。スピーカ４１は、音波を出力する振動子（図示せず）を有する。振動子は、例えば、圧電素子であって、交流電圧によって振動し、音波を出力する。スピーカ４１の音波の出力面は、慣性センサ５０を支持する上端面２１に対面されている。スピーカ４１から音波を出力すると、空気振動によって、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の上端面２１が振動する。
【００２５】
制御部４２は、マイクロコンピュータによって構成されており、例えば、ＣＰＵ、制御プログラムを格納するＲＯＭ、演算結果等を格納する読書き可能なＲＡＭ、時間を計測するタイマ、演算等の処理の回数を計測するカウンタ、入力インターフェイス、及び出力インターフェイス等を有する。
【００２６】
制御部４２は、電源（図示せず）からスピーカ４１の振動子へ供給される交流電圧の周波数、実効値を制御して、スピーカ４１から出力される音波の周波数、大きさを制御する。これにより、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の上端面２１を所定の周波数で振動させることができる。
【００２７】
慣性センサ５０を支持する支持柱２０は、クランプ３３ａ、３３ｂによって支持される部位を固定端とし、慣性センサ５０を支持する上端面２１を自由端として、片持ち梁として振動する。慣性センサ５０を支持する支持柱２０の振動は、複数の振動モードから構成され、例えば、支持柱２０の軸周りの回転方向に振動する第１振動モード、支持柱２０の軸直交方向に振動する第２振動モード等から構成される。
【００２８】
図３は、クランプ３３ａ、３３ｂで固定された支持柱２０の第１振動モードの振動の一例を示した概略図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。また、図４は、クランプ３３ａ、３３ｂで固定された支持柱２０の第２振動モードの振動の一例を示した側面図である。図３、図４において、実線で示される状態が静止状態であり、２点鎖線で示される状態が振動状態である。図３に示すように、第１振動モードでは、自由端である上端面２１が、支持柱２０の軸周りの回転方向Ｒに正逆回転し、振動する。また、図４に示すように、第２振動モードでは、自由端である上端面２１が、支持柱２０の軸直交方向Ｖに振り子運動し、振動する。
【００２９】
図５は、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の振動周波数と振動振幅との関係の一例を模式的に示した図である。図５に示すように、振動周波数を徐々に増加させていくと、複数の特定の周波数で振動振幅が著しく増大する。この周波数は、一般に、共振周波数と呼ばれるものである。共振周波数では、特定の振動モードの振幅が著しく増大する。
【００３０】
したがって、本実施例の慣性センサの検査装置１０によれば、慣性センサ５０を支持するための上端面２１に対して、第１振動モードに対応する共振周波数の音波を出力することにより、上端面２１を支持柱２０の軸周りに共振させることができ、選択的に、支持柱２０の軸周りの回転方向Ｒに、共振周波数の周期で、慣性センサ５０を正逆回転させ、振動させることができる。
【００３１】
また、本実施例の慣性センサの検査装置１０によれば、ターンテーブルや、ターンテーブルを駆動する電動モータを用いることなく、支持柱２０の軸周りの回転方向Ｒに、共振周波数の周期で、慣性センサ５０を正逆回転させ、振動させることができる。このため、実施例の慣性センサの検査装置１０は、一般的な同種の検査装置で問題となるターンテーブルと電動モータとの摩擦抵抗や、電動モータの振動による影響を受けないので、安定した角周波数の周期で、慣性センサ５０を正逆回転させ、振動させることができる。
【００３２】
また、本実施例の慣性センサの検査装置１０によれば、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数を変更することによって、変更された共振周波数の周期で、支持柱２０の軸周りの回転方向Ｒに、慣性センサ５０を回転振動させることができる。
【００３３】
慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数は、前述したように、支持柱２０のヤング率、ポアソン比、密度、突出寸法Ｌに依存する。また、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数は、支持柱２０の外径Ｄ等の形状にも依存する。以下、これらの共振周波数の因子について、説明する。尚、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数は、慣性センサ５０のヤング率、ポアソン比、密度、形状にも依存する。
【００３４】
図６は、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数と支持柱２０の突出寸法Ｌとの関係の一例を示した図である。図６において、実線で示される関係が第１振動モードの関係であり、点線で示される関係が第２振動モードの関係である。図６に示す共振周波数と突出寸法Ｌとの関係は、有限要素法解析を用いて算出した。図６における実施例１〜３では、表１に記載の条件以外は、同じ条件で解析を行った。
【００３５】
【表１】
2009128101.tif 000003
尚、実施例１〜３において、慣性センサ５０は、形状が７ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ、ヤング率が１５０ＧＰａ、ポアソン比が０．３６、密度が２．３４ｇ／ｃｍ３であるとした。また、実施例１〜３において、解析結果への影響が小さいことから、支持柱２０の内部を軸方向Ｇに貫通する貫通穴２２がないものとした。
【００３６】
図６から明らかなように、支持柱２０の突出寸法Ｌが長くなるほど、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数が低下する。例えば、実施例１では、支持柱２０の突出寸法Ｌが０．２５ｍｍから３．０ｍｍへ長くなると、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数が２０００Ｈｚから７００Ｈｚへ低下する。
【００３７】
したがって、支持柱２０の突出寸法Ｌを変更することによって、支持柱２０を取り替えることなく、変更された共振周波数の周期で、支持柱２０の軸周りの回転方向Ｒに、慣性センサ５０を回転振動できる。これにより、一定範囲の周波数帯における、慣性センサ５０の角周波数の特性を検査できる。
【００３８】
また、図６から明らかなように、支持柱２０のヤング率が低くなるほど、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数が低下する。例えば、実施例１と実施例３とを比較すると、突出寸法Ｌが１．０ｍｍの場合、支持柱２０のヤング率が１９．６ＭＰａから０．８８ＭＰａへ小さくなると、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数が１１５０Ｈｚから１５０Ｈｚへ低下する。
【００３９】
したがって、支持柱２０をヤング率の異なるものに取り替えることによって、異なる周波数帯における、慣性センサ５０の角周波数の特性を検査できる。これにより、広い範囲の周波数帯における、慣性センサ５０の角周波数の特性を検査できる。尚、支持柱２０のヤング率は、慣性センサ５０の検査すべき周波数帯に応じて、選定される。
【００４０】
また、図６から明らかなように、支持柱２０の外径Ｄが小さくなるほど、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数が低下する。例えば、実施例１と実施例２とを比較すると、突出寸法Ｌが１．０ｍｍの場合、支持柱２０の外径Ｄが５．０ｍｍから４．０ｍｍへ小さくなると、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数が１８００Ｈｚから１１５０Ｈｚへ低下する。
【００４１】
したがって、支持柱２０を外径の異なるものに取り替えることによって、異なる周波数帯における、慣性センサ５０の角周波数の特性を検査できる。これにより、広い範囲の周波数帯における、慣性センサ５０の角周波数の特性を検査できる。尚、この場合、支持柱２０を内嵌するクランプ３３ａ、３３ｂを取り替える必要がある。
【００４２】
図７は、慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数と支持柱２０の平面視形状との関係の一例を示した図である。図７では、支持柱２０の平面視形状を直径４．０ｍｍの円に内接する正多角形、つまり、正三角形、正方形、正五角形、正六角形、正七角形、正八角形とし、突出寸法Ｌを１．０ｍｍとした以外は、表１に記載の実施例１と同じ条件で解析した。尚、図７において、実線で示される関係が第１振動モードの関係であり、点線で示される関係が第２振動モードの関係である。
【００４３】
図７から明らかなように、支持柱２０の平面視形状を正三角形から円へ近づけるほど、第１振動モードに対応する共振周波数と、第２振動モードに対応する共振周波数との差が大きくなる。つまり、支持柱２０の平面視形状を正三角形から円へ近づけるほど、第１振動モードと、第２振動モードとを独立して励起し易くなる。
【００４４】
したがって、支持柱２０を平面視で円状に形成することによって、スピーカ４１から第１振動モードに対応する共振周波数の音波を出力した際、第２振動モードの励起を抑制できる。これにより、選択的に、支持柱２０の軸周りの回転方向Ｒに、共振周波数の周期で、慣性センサ５０を回転振動させることができる。
【００４５】
尚、支持柱２０を平面視で多角形状、又は楕円状に形成すると、クランプ３３ａ、３３ｂに内嵌される支持柱２０の回転滑りを確実に防止できる。
【００４６】
支持柱２０は、第１振動モードと第２振動モードとを独立して励起できる限り、その形状に制限はなく、例えば、円柱、楕円柱、多角形柱であってよい。ここで、第１振動モードと第２振動モードとを独立して励起するため、第１振動モードの共振周波数Ｆ１と、第２振動モードの共振周波数Ｆ２とが２０％（｜Ｆ２−Ｆ１｜／Ｆ１×１００）以上離れていることが好ましい。２０％以下であると、第１振動モードを励起する際に、第２振動モードも励起され易くなり、選択的に、支持柱２０の軸周りの回転方向Ｒの正逆に、共振周波数の周期で、慣性センサ５０を回転振動させ難くなる。
【００４７】
次に、本実施例の慣性センサの検査装置１０の操作について説明する。
【００４８】
まず、慣性センサ５０（例えば、角速度センサ）を支持柱２０の上端面２１に真空吸着させる。次に、慣性センサ５０を支持する支持柱２０をクランプ３３ａ、３３ｂに内嵌させ、締結部によって押圧固定させる。次に、スピーカ４１から第１振動モードに対応する共振周波数の音波を出力させる。これにより、共振周波数の周期で、慣性センサ５０を回転方向Ｒへ正逆回転させ、振動させる。この状態で、所定時間毎に、慣性センサ５０が出力する電気信号に基づき、慣性力（例えば、コリオリ力、つまり角速度）を算出させる。
【００４９】
続いて、締結部による押圧固定を解除し、支持柱２０の突出寸法Ｌを変更した後、再び締結部によって押圧固定する。次に、スピーカ４１から第１振動モードに対応する共振周波数の音波を出力させる。これにより、変更された共振周波数の周期で、慣性センサ５０を回転方向Ｒへ正逆回転させ、振動させる。この状態で、所定時間毎に、慣性センサ５０が出力する電気信号に基づき、慣性力を算出させる。
【００５０】
上記操作を繰り返して、角周波数の周期毎に、慣性センサ５０の出力値（例えば、角速度）を検査する。このようにして、慣性センサ５０の角周波数の特性を検査する。
【００５１】
次に、本実施例の慣性センサの検査装置１０の作用について説明する。
【００５２】
例えば、上記操作によって、あらかじめ、角周波数の周期毎に、正規品の慣性センサ５０（例えば、角速度センサ）の出力値（例えば、角速度）のデータを収集し、記録しておく。これにより、角周波数の周期毎に、検査対象である慣性センサ５０の出力値と、正規品の慣性センサ５０の出力値とを比較できる。両者のデータの差が規格範囲内であれば良品とし、規格範囲外であれば不良品とし、検査対象である慣性センサ５０を分別する。
【００５３】
或いは、共振周波数の周期で、慣性センサ５０を回転方向Ｒへ正逆回転させ、振動させた状態で、所定時間毎に、慣性センサ５０の出力値を記録すると共に、慣性力を実測させる。例えば、慣性センサ５０が角速度センサである場合、慣性力の実測、すなわち角速度の実測には、レーザドップラー速度計が用いられる。これにより、角周波数の周期毎に、検査対象である慣性センサ５０の出力値と、実測値とを比較できる。両者のデータの差が規格範囲内であれば良品とし、規格範囲外であれば不良品とし、検査対象である角速度センサ５０を分別する。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００５５】
例えば、本実施例の支持柱２０は、上端面２１に慣性センサ５０を真空吸着するための開口部２１ａを有するとしたが、慣性センサ５０を支持できる限り、その構造に制限はなく、例えば、慣性センサ５０を上端面２１に圧着するための圧着治具を有してよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の慣性センサの検査装置の構成の一実施例を示した概略図である。
【図２】支持柱２０と固定手段３０との関係の一例を示した拡大図である。
【図３】クランプ３３ａ、３３ｂで固定された支持柱２０の第１振動モードの振動の一例を示した概略図である。
【図４】クランプ３３ａ、３３ｂで固定された支持柱２０の第２振動モードの振動の一例を示した概略図である。
【図５】慣性センサ５０を支持する支持柱２０の振動周波数と振動振幅との関係の一例を模式的に示した図である。
【図６】慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数と支持柱２０の突出寸法Ｌとの関係の一例を示した図である。
【図７】慣性センサ５０を支持する支持柱２０の共振周波数と支持柱２０の平面視形状との関係の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０    慣性センサの検査装置
２０    支持柱
２１    端面
２１ａ    開口部
２２    貫通穴
３０    固定手段
３３ａ、３３ｂ    クランプ
４０    共振手段
４１    スピーカ
４２    制御部
【図１】
2009128101.tif 000004
【図２】
2009128101.tif 000005
【図３】
2009128101.tif 000006
【図４】
2009128101.tif 000007
【図５】
2009128101.tif 000008
【図６】
2009128101.tif 000009
【図７】
2009128101.tif 000010