JP5320862B2

JP5320862B2 - センサ装置

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Publication number: JP5320862B2
Application number: JP2008172363A
Authority: JP
Inventors: 貴士石川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: JP2010014428A

Description

本発明は、角速度検出同一軸線上に配置された２つのジャイロセンサを備えたセンサ装置に関する。

従来より、加速度あるいは角速度を検出対象物の慣性力として検出する一対の慣性センサを備えた慣性センサユニットが、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、同一方向の慣性力を検出するように配置されると共に、同一軸線上に配置された同一構造の各慣性センサを備えた慣性センサユニットが提案されている。

このような各慣性センサの配置により、各慣性センサの出力値を加算することで、信号が２倍、ノイズがルート２倍になり、慣性センサユニットの分解能を向上させることができるようになっている。
特開２００５−１０６７２７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、慣性センサユニットの分解能を向上できるものの、各慣性センサに外部から外乱ノイズが加われば、各慣性センサで外乱ノイズが検出され、該外乱ノイズがルート２倍されて出力に含まれてしまうため、Ｓ／Ｎ比は変化しない。

本発明は、上記点に鑑み、外乱ノイズによる影響を低減することができるセンサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一方向に延びる軸をｘ軸とし、該ｘ軸に垂直な軸をｙ軸とし、ｘ軸およびｙ軸に垂直な軸をｚ軸として、ｘ軸の方向に振動する駆動部（１５）と、ｙ軸の方向に変位するように駆動部（１５）に結合された検出錘（１１）と、検出錘（１１）に設けられｙ軸方向に変位する第１可動電極（１３）と、第１可動電極（１３）に対向配置された第１固定電極（１４）とを有し、第１可動電極（１３）においてｙ軸方向にコリオリ力による力の変位が発生したとき、第１可動電極（１３）と第１固定電極（１４）との間の容量の変化に基づいてｚ軸まわりの角速度を検出する容量式の第１ジャイロセンサ（１０）と、ｘ軸の方向に振動する駆動部（２５）と、ｙ軸の方向に変位するように駆動部（２５）に結合された検出錘（２１）と、検出錘（２１
）に設けられｙ軸方向に変位する第２可動電極（２３）と、第２可動電極（２３）に対向配置された第２固定電極（２４）とを有し、第２可動電極（２３）においてｙ軸方向にコリオリ力による力の変位が発生したとき、第２可動電極（２３）と第２固定電極（２４）との間の容量の変化に基づいてｚ軸まわりの角速度を検出する容量式の第２ジャイロセンサ（２０）とを備え、第１ジャイロセンサ（１０）および第２ジャイロセンサ（２０）は同一構造をなしており、第１ジャイロセンサ（１０）および第２ジャイロセンサ（２０）は前記ｚ軸上に同一の検出軸として積層されており、第１ジャイロセンサ（１０）および第２ジャイロセンサ（２０）それぞれに角速度が印加されたとき、第１ジャイロセンサ（１０）の第１可動電極（１３）と第２ジャイロセンサ（２０）の第２可動電極（２３）と
はｙ軸方向において反対方向に変位することを特徴とする。さらに、第１ジャイロセンサ（１０）のうち第１可動電極（１３）が設けられた面に第１キャップ（９３）が積層され、第２ジャイロセンサ（２０）のうち第２可動電極（２３）が設けられた面に第２キャップ（９４）が積層されており、第２キャップ（９４）と第１ジャイロセンサ（１０）とで回路チップ（９５）が挟み込まれた積層構造であることを特徴とする。

これによると、第２ジャイロセンサ（２０）で検出される角速度成分は第１ジャイロセンサ（１０）にて検出される角速度成分とは逆相で現れる角速度成分であるから、第１ジャイロセンサ（１０）および第２ジャイロセンサ（２０）の各出力の差動をとることで各出力に含まれたノイズを打ち消すようにすることができる。したがって、センサ装置に外部から加わる外乱ノイズによる影響を低減することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示されるセンサ装置は、車両に搭載されるものであり、例えば車両の横滑りを検出して横滑り防止のための制御を行うものとして用いられるものである。

図１は、本実施形態に係るセンサ装置に用いられる第１、第２ジャイロセンサの構成図である。まず、一方向に延びる軸をｘ軸とし、該ｘ軸に垂直な軸をｙ軸とし、前記ｘ軸および前記ｙ軸に垂直な軸をｚ軸とする。

図１に示されるように、第１ジャイロセンサ１０は、検出錘１１と、検出電極１３、１４と、駆動フレーム１５と、駆動梁１６と、検出梁１７と、固定部１８とを備えている。

具体的には、第１ジャイロセンサ１０は、振動子全体を静電気力等である一定周波数・一定振幅で振動させる駆動フレーム１５があり、これは固定部１８と駆動梁１６によってｘ軸方向へ振動可能に支持されている。

検出錘１１は、検出梁１７を介して駆動フレーム１５に結合され、ｙ軸方向に変位可能に支持されている。駆動フレーム１５を駆動手段（図示せず）により、ｘ軸方向へ振動駆動しているときに、ｚ軸を回転軸とした角速度が印加されると、ｙ軸方向へ振動する速度に比例したコリオリ力が作用する。すなわち、検出可動電極１３においてｙ軸方向にコリオリ力による力の変位が発生する。

検出錘１１はｙ軸方向へ変位可能であるためコリオリ力に応じてｙ軸方向に変位する。また、検出錘１１には検出可動電極１３が設けられ、それに対向するように検出固定電極１４が備えられている。検出錘１１の変位によって検出可動電極１３がｙ軸方向に変位すると、各電極１３、１４の間の相対距離が変化し、それに伴い静電容量も変化する。その容量の変化を検出することで、コリオリ力によって現れた角速度を検出する。

しかし、検出錘１１は、コリオリ力によるものだけでなく、ｙ軸方向成分を持つ加速度が加わったときでも変位し、容量変化を発生する。

第２ジャイロセンサ２０は、第１ジャイロセンサ１０と同じ構成になっている。すなわち、第１ジャイロセンサ１０の検出錘１１、検出可動電極１３、検出固定電極１４、駆動フレーム１５、駆動梁１６、検出梁１７、固定部１８に対応した検出錘２１、検出可動電極２３、検出固定電極２４、駆動フレーム２５、駆動梁２６、検出梁２７、固定部２８を備えている。

そして、第１ジャイロセンサ１０および第２ジャイロセンサ２０それぞれに角速度が印加されたとき、第１ジャイロセンサ１０の第１可動電極１３と第２ジャイロセンサ２０の第２可動電極２３とはｙ軸方向において反対方向に変位する。

図２は、各ジャイロセンサ１０、２０の配置の模式図である。この図に示されるように、上記ジャイロセンサ１０およびそれと同等のジャイロセンサ２０は、それぞれ駆動方向ｘと検出方向ｙとが同一方向となるように、またｚ軸を共通軸とするように配置される。これら２つのジャイロセンサ１０、２０は駆動フレーム１５、２５の駆動周波数は同一でかつ逆位相で振動させるものである。

演算回路３０は、第１ジャイロセンサ１０から該第１ジャイロセンサ１０に外部から加わった外乱ノイズとしての加速度信号成分が含まれた出力を入力すると共に、第２ジャイロセンサ２０から該第２ジャイロセンサ２０に外部から加わった加速度信号成分が含まれた出力を入力し、各出力に基づいて加速度信号成分を除去する演算を行うものである。演算回路３０は、図２に示されるプリント基板４０に設けられるか、処理チップとされてプリント基板４０に実装される。

具体的に、演算回路３０は、ジャイロセンサ１０、２０から出力された容量変化の信号の差分を演算する。検出方向と駆動方向とが揃っていて、同一駆動周波数・逆位相で駆動しているため、検出錘１１のコリオリ力に起因する変位は逆相で、駆動振動によらない加速度による変位は同相で発生する。すなわち、これらの信号の差分を取ることで、同相成分を除去し、コリオリ力の成分のみを抽出することができる。

図３は、センサ装置１の全体模式図である。図３に示されるように、図１に示される第１ジャイロセンサ１０と第２ジャイロセンサ２０とは実際には積層された積層構造をなしている。そして、この積層されたものがプリント基板４０に固定されている。なお、プリント基板４０は、本発明の基板に相当する。

以上が、本実施形態に係るセンサ装置１の全体構成である。本実施形態では、図３に示されるように積層された各ジャイロセンサ１０、２０がプリント基板４０に実装される場合、プリント基板４０の平面に図１に示されるｘ軸およびｙ軸が配置され、プリント基板４０の平面に垂直にｚ軸が配置されることとなる。

次に、上記センサ装置１において、角速度を検出する作動について説明する。上述のように、各ジャイロセンサ１０、２０では、コリオリ力に応じて検出錘１１、２１がそれぞれ変位することで、検出可動電極１３、２３と検出固定電極１４、２４との相対距離がそれぞれ変化する。つまり、検出可動電極１３、２３においてｙ軸方向にコリオリ力による力の変位がそれぞれ発生する。このとき、第１ジャイロセンサ１０の検出可動電極１３と第２ジャイロセンサ２０の検出可動電極２３とはｙ軸方向において反対方向に変位する。この相対距離の変化に相当する静電容量が各ジャイロセンサ１０、２０から演算回路３０に入力される。

そして、各ジャイロセンサ１０、２０の検出方向と駆動方向とは同一方向であり、同一駆動周波数・逆位相で駆動している。すなわち、各ジャイロセンサ１０、２０から演算回路３０に入力される静電容量の信号は、検出錘１１、２１のコリオリ力に起因する変位について逆相であり、駆動振動によらない加速度による変位について同相である。

したがって、演算回路３０は、各ジャイロセンサ１０、２０から入力された信号の差分を演算する。これにより、同相成分すなわち駆動振動によらない加速度による変位が除去され、コリオリ力の成分すなわち検出錘１１、２１のコリオリ力に起因する変位のみが抽出される。このようにして、加速度が除去された角速度成分を得ることができる。

また、同様の演算により、角速度成分を除去する演算を行うことで、加速度を求めることも可能である。

以上説明したように、第１ジャイロセンサ１０および第２ジャイロセンサ２０それぞれを同一ｚ軸上に配置している。また、各ジャイロセンサ１０、２０に角速度がそれぞれ印加されたとき、第１ジャイロセンサ１０の検出可動電極１３と第２ジャイロセンサ２０の検出可動電極２３とがｙ軸方向において反対方向に変位することが特徴となっている。

したがって、演算回路３０にて第１ジャイロセンサ１０および第２ジャイロセンサ２０の各出力の差動をとって加速度信号成分を打ち消す演算を行うことができる。このようにして、センサ装置１に外部からの加速度信号成分による影響を低減することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、駆動フレーム１５が特許請求の範囲の第１駆動部に対応し、駆動フレーム２５が特許請求の範囲の第２駆動部に対応する。また、検出可動電極１３が特許請求の範囲の第１可動電極に相当し、検出可動電極２３が特許請求の範囲の第２可動電極に相当する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記各実施形態では、図２に示されるように、各ジャイロセンサ１０、２０が積層されていたが、本実施形態では、防振部材を介して該積層構造をケースに収納することが特徴となっている。

図４は、本実施形態において、プリント基板４０に各ジャイロセンサ１０、２０を実装した概略断面図である。この図に示されるように、プリント基板４０には中空部分を有するケース７０が備えられている。ケース７０は、例えば樹脂によって成形されたものであり、図４に示されるように中空部分を持つ筒状のものが好ましい。

そして、各ジャイロセンサ１０、２０の積層構造は、ケース７０の内壁面と第１ジャイロセンサ１０との間、およびケース７０の内壁面と第２ジャイロセンサ２０との間にそれぞれ防振部材８０が配置されることにより、ケース７０の中空部分に収納されている。防振部材８０としては、例えばゴム部材が採用される。

以上のように、積層構造を防振部材８０によって固定することにより、振動の影響を低減でき、各ジャイロセンサ１０、２０の検出精度の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
図５は、本実施形態において、プリント基板４０に各ジャイロセンサ１０、２０を実装した概略断面図である。この図に示されるように、第１ジャイロセンサ１０と第２ジャイロセンサ２０とでプリント基板４０が挟み込まれた構造をなしている。このような配置においても、各ジャイロセンサ１０、２０を同一軸上に配置することができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図６は、本実施形態に係る各ジャイロセンサ１０、２０の積層構造の断面図である。この図に示されるように、第１ジャイロセンサ１０と第２ジャイロセンサ２０とで板部材４１が挟み込まれた積層構造をなしている。このような板部材４１として、例えば防振部材を用いることができる。これにより、各ジャイロセンサ１０、２０における振動の影響をさらに低減することが可能となる。

なお、図６に示される積層構造は、図３に示されるようにしてプリント基板４０に実装することができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図７は、各ジャイロセンサ１０、２０を一つのパッケージ化したものの斜視図である。各ジャイロセンサ１０、２０は、図７に示される一つのパッケージ９０内に備えられている。このようなパッケージ９０は、図２に示されるようにしてプリント基板４０に実装されることとなる。

以上のように、各ジャイロセンサ１０、２０をパッケージ９０に備えることで、各ジャイロセンサ１０、２０の取り扱いを容易にすることができる。

（第６実施形態）
図８は、本実施形態におけるセンサ装置１の概略断面図である。この図に示されるように、第１ジャイロセンサ１０は第１基板４２に実装され、第２ジャイロセンサ２０は第２基板４３に実装されている。そして、第１基板４２および第２基板４３は、中空部分を有するケース７１の中空部分に配置されている。

このように、各ジャイロセンサ１０、２０を別々の基板に実装することができる。また、このような構造であったとしても、各ジャイロセンサ１０、２０が同一軸上に配置されるようにすることができる。

（第７実施形態）
図９は、本実施形態における各ジャイロセンサ１０、２０の積層構造の断面図である。この図に示されるように、第２ジャイロセンサ２０のうち第２可動電極２３等が設けられた面にスペーサ９１が配置されている。また、スペーサ９１の上に第１ジャイロセンサ１０のうち第１可動電極１３等が設けられた面とは反対側の面が配置されている。これにより、第１ジャイロセンサ１０が第２ジャイロセンサ２０のキャップとしての役割を果たす。また、第１ジャイロセンサ１０のうち第１可動電極１３等が設けられた面にキャップ９２が設けられている。このような積層構造が基板４０に設置されている。

スペーサ９１は、環状のものでも良いし、非環状のものでも構わない。スペーサ９１の材質としては、上記第２実施形態で示された防振部材８０等を採用することができる。また、キャップ９２として、例えば半導体基板の一面がエッチングされたものが用いられる。

以上のように、各ジャイロセンサ１０、２０にスペーサ９１およびキャップ９２を設けることで、各ジャイロセンサ１０、２０を積層構造とすることができる。

（第８実施形態）
図１０は、本実施形態における各ジャイロセンサ１０、２０の積層構造の断面図である。この図に示されるように、各ジャイロセンサ１０、２０は、センシング部が第１、第２キャップ９３、９４でそれぞれ覆われた構造をなしている。そして、各ジャイロセンサ１０、２０が回路チップ９５を挟み込んだ積層構造が形成されている。

具体的には、第１ジャイロセンサ１０のうち第１可動電極１３等が設けられた面に第１キャップ９３が積層され、第２ジャイロセンサ２０のうち第２可動電極２３等が設けられた面に第２キャップ９４が積層されている。そして、第２キャップ９４の上に回路チップ９５が配置され、この回路チップ９５の上に第１ジャイロセンサ１０が配置されている。すなわち、第２キャップ９４と第１ジャイロセンサ１０とで回路チップ９５が挟み込まれた構造が形成されている。そして、この積層構造が基板４０に設置されている。

回路チップ９５は、各ジャイロセンサ１０、２０から入力される信号を処理する回路等が設けられたものである。回路チップ９５には、例えば、演算回路３０が設けられていても良い。

以上のように、各ジャイロセンサ１０、２０に各キャップ９３、９４を設けたもので、回路チップ９５を挟み込んだ積層構造とすることもできる。

（他の実施形態）
第１実施形態では、センサ装置１に演算回路３０が備えられ、加速度が除去された角速度成分が外部に出力されていたが、センサ装置１に演算回路３０が備えられていなくても良い。すなわち、センサ装置１からは各ジャイロセンサ１０、２０の出力Ａ、Ｂが出力されるのみの構成になっていても良く、センサ装置１の外部に設けられた演算回路３０にて加速度を除去する演算を行うようにすれば良い。

上記各実施形態では、各ジャイロセンサ１０、２０は半導体基板に形成されたものであるが、各ジャイロセンサ１０、２０はＳＯＩ基板に形成されたものでも良い。これによると、センシング部が形成されていない半導体層を貼り合わせるようにすることができる。

上記各実施形態では、２つのジャイロセンサ１０、２０を用いたセンサ装置１について説明したが、センサ装置１に３つ以上のジャイロセンサを用いても良い。例えば、検出振動方向を９０°の倍数の位置に配置することで検出精度を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るセンサ装置に用いられる第１、第２ジャイロセンサの構成図である。各ジャイロセンサの配置の模式図である。センサ装置の全体模式図である。本発明の第２実施形態におけるセンサ装置の概略断面図である。本発明の第３実施形態におけるセンサ装置の概略断面図である。本発明の第４実施形態における各ジャイロセンサの積層構造の断面図である。本発明の第５実施形態におけるパッケージの斜視図である。本発明の第６実施形態におけるセンサ装置の概略断面図である。本発明の第７実施形態における各ジャイロセンサの積層構造の断面図である。本発明の第８実施形態における各ジャイロセンサの積層構造の断面図である。

符号の説明

１０第１ジャイロセンサ
１３検出可動電極
１４検出固定電極
２０第２ジャイロセンサ
２２検出可動電極
２４検出固定電極
３０演算回路
４０プリント基板

Claims

一方向に延びる軸をｘ軸とし、該ｘ軸に垂直な軸をｙ軸とし、前記ｘ軸および前記ｙ軸に垂直な軸をｚ軸として、前記ｘ軸の方向に振動する第１駆動部（１５）と、前記ｙ軸の方向に変位するように前記第１駆動部（１５）に結合された第１検出錘（１１）と、前記第１検出錘（１１）に設けられ前記ｙ軸方向に変位する第１可動電極（１３）と、前記第１可動電極（１３）に対向配置された第１固定電極（１４）とを有し、前記第１可動電極（１３）において前記ｙ軸方向にコリオリ力による力の変位が発生したとき、前記第１可動電極（１３）と前記第１固定電極（１４）との間の容量の変化に基づいて前記ｚ軸まわりの角速度を検出する容量式の第１ジャイロセンサ（１０）と、
前記ｘ軸の方向に振動する第２駆動部（２５）と、前記ｙ軸の方向に変位するように前記第２駆動部（２５）に結合された第２検出錘（２１）と、前記第２検出錘（２１）に設けられ前記ｙ軸方向に変位する第２可動電極（２３）と、前記第２可動電極（２３）に対向配置された第２固定電極（２４）とを有し、前記第２可動電極（２３）において前記ｙ軸方向にコリオリ力による力の変位が発生したとき、前記第２可動電極（２３）と前記第２固定電極（２４）との間の容量の変化に基づいて前記ｚ軸まわりの角速度を検出する容量式の第２ジャイロセンサ（２０）とを備え、
前記第１ジャイロセンサ（１０）および前記第２ジャイロセンサ（２０）は同一構造をなしており、前記第１ジャイロセンサ（１０）および前記第２ジャイロセンサ（２０）は前記ｚ軸上に同一の検出軸として積層されており、
前記第１ジャイロセンサ（１０）のうち前記第１可動電極（１３）が設けられた面に第１キャップ（９３）が積層され、前記第２ジャイロセンサ（２０）のうち前記第２可動電極（２３）が設けられた面に第２キャップ（９４）が積層されており、
前記第２キャップ（９４）と前記第１ジャイロセンサ（１０）とで回路チップ（９５）が挟み込まれた積層構造をなしており、
前記第１ジャイロセンサ（１０）および前記第２ジャイロセンサ（２０）それぞれに角速度が印加されたとき、前記第１ジャイロセンサ（１０）の第１可動電極（１３）と前記第２ジャイロセンサ（２０）の第２可動電極（２３）とは前記ｙ軸方向において反対方向に変位することを特徴とするセンサ装置。