JP2008070333A - 振動型角速度センサ及び車両制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】角速度センサに異常がある場合も車両制御システムを無効状態とすることなく、安全性を向上することのできる振動型角速度センサ及び車両制御システムを提供する。
【解決手段】振動体１０と、振動体１０に駆動電圧を印加し、振動体１０を所定の駆動周波数ｆｄにて駆動振動させる駆動部２０と、駆動振動された振動体１０に角速度が印加された際の、駆動振動方向と直交する方向への振動体１０の検出振動に基づいて角速度を検出する検出部３０とを備える振動型の角速度センサ１００であって、駆動部２０と検出部３０との間、及び、振動体１０と検出部３０との間の少なくとも一方に、角速度とは別に外部から振動の印加を受けた振動体１０の誤振動に基づく信号を減衰させる帯域除去フィルタ４１，４２を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動型角速度センサ及び振動型角速度センサを含む車両制御システムに関するものである。

従来、角速度センサを用いて車両を正常状態に保つ車両制御システムとして、車両の横滑りを検出して各車輪のブレーキやトルクを最適に制御する車両安定制御システムや、車両の後輪又は前輪の舵角を制御する４輪舵角制御システムなどが知られている。このような車両制御システムにおいては、車両の横滑りといった車両の異常状態を角速度センサからのヨーレート信号に基づいて検出しているため、ヨーレート信号が異常となると車両の走行特性が不安定になる。

例えば、車両走行中に車両が大きな石などに乗り上げた場合などのように、外部要因によって車両に大きな衝撃が加わった場合、車両に搭載された角速度センサにも大きな衝撃が加わって、ヨーレート信号が異常となる。また、角速度センサとして振動型を採用した場合、このような過大衝撃の印加時のみならず、振動体の駆動系共振周波数ｆｄ、その奇数高調波３ｆｄ、５ｆｄ、・・・、駆動系共振周波数ｆｄと検出系共振周波数ｆｓとの差の周波数Δｆ＝｜ｆｄ−ｆｓ｜などの成分を含む外部振動が角速度センサに加わった場合にも、ヨーレート信号が異常となる。

これに対し、例えば特許文献１においては、振動型の角速度センサに隣接配置された加速度センサの検出信号から、角速度センサが誤出力を生じる恐れのある周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分が所定のレベルを超えた場合に角速度センサが異常状態にあることを示すダイアグ信号を出力することを示すダイアグ信号を出力する構成としている。
特開２００４−２９４３３５号公報

しかしながら、特許文献１に示される構成によれば、ダイアグ信号によって、角速度センサからのヨーレート信号に基づく車両制御が制限（例えば車輪の駆動制御を行うアクチュエータの動作が中断）される。すなわち、角速度センサが異常状態にある場合、車両制御システムが無効状態となる。

本発明は上記問題点に鑑み、無効状態とすることなく、制御システムの安全性を向上することのできる振動型角速度センサ及び車両制御システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の振動型角速度センサは、振動体と、振動体に駆動電圧を印加し、振動体を所定の駆動周波数にて駆動振動させる駆動部と、駆動振動された振動体に角速度が印加された際の、駆動振動方向と直交する方向への振動体の検出振動に基づいて角速度を検出する検出部と、角速度とは別に外部から振動の印加を受けた振動体の誤振動に基づく信号を減衰させる減衰部と、を備えることを特徴とする。

このように本発明によれば、駆動振動された振動体に角速度とは別に外部から振動が印加されても、印加を受けた振動体の誤振動に基づく信号を減衰部によって減衰させ、振動型角速度センサから出力されるヨーレート信号が、外部振動によって異常となることを防ぐことができる。したがって、当該振動型角速度センサを含む制御システムを、無効状態とすることなくその安全性を向上することができる。

請求項２に記載のように、車両に搭載され、減衰部として、駆動部と検出部との間、及び、振動体と検出部との間の少なくとも一方に設けられ、検出振動の共振周波数を含まない所定帯域の信号を減衰させる帯域除去フィルタを含む構成とすると良い。車両搭載下においては、所定帯域の成分を含む外部振動が角速度センサに印加されるとヨーレート信号が異常となるが、本発明によれば帯域除去フィルタによってこの所定帯域の信号を効率よく除去することができる。

請求項３に記載のように、帯域除去フィルタが、駆動周波数と検出振動の共振周波数との差の周波数（以下Δｆと示す）を中心周波数として設定された構成とすると良い。周波数成分としてΔｆを含む外部振動が印加された場合には、小さな振動レベルでもヨーレート信号が異常となる恐れがあるが、本発明によればΔｆを帯域除去フィルタの中心周波数とするので、Δｆ周辺の周波数成分を効率よく除去することができる。具体的には、請求項４に記載のように、中心周波数が、５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲で設定されたものを採用すると良い。これによれば、車両特有の外部振動に基づく信号（周波数成分）を除去することができる。

また、請求項５に記載のように、帯域除去フィルタが、駆動周波数を中心周波数として設定された構成としても良い。周波数成分として駆動周波数を含む外部振動が印加された場合、Δｆ同様、小さな振動レベルでもヨーレート信号が異常となる恐れがあるが、本発明によれば駆動周波数を帯域除去フィルタの中心周波数とするので、駆動周波数周辺の周波数成分を効率よく除去することができる。

それ以外にも、請求項６に記載のように、帯域除去フィルタが、駆動周波数の奇数高調波を中心周波数として設定された構成としても良い。

帯域除去フィルタは、請求項７に記載のように１つの素子として構成されても良いし、請求項８に記載のように、１つの回路部として構成されても良い。また、減衰部はハードウェアによる構成に限定されるものではなく、請求項９に記載のように、減衰部として、コンピュータで所定のアルゴリズム処理を実行することにより、誤振動に基づく信号を減衰させるソフト処理部を含む構成（ソフトウェアによる構成）としても良い。

なお、請求項１０に記載のように、振動型角速度センサと、車両のアクチュエータ（例えば車輪の制動駆動（トルクやブレーキング量などの変更）を行うアクチュエータ）と、振動型角速度センサの検出信号に基づいてアクチュエータの動作を制御する車両制御装置と、を備える車両制御システムにおいて、振動型角速度センサとして請求項１〜９いずれか１項に記載の振動型角速度センサが好適である。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る振動型角速度センサの概略構成を示す回路図である。図１に示すように、振動型角速度センサ１００（以下角速度センサ１００と示す）は、要部として、振動体１０、駆動部２０、検出部３０、及び減衰部４０を含んでいる。

振動体１０は、駆動部２０によって駆動され、所定の駆動振動を行っている状態で、振動体１０に角速度が印加された場合にはコリオリ力が生じ、検出部３０によってコリオリ力に基づく検出振動成分が検出される構成のもであれば採用することができる。本実施形態においては、一例として、音叉式の振動体１０を採用している。それ以外にも、容量式等のあらゆる種類の振動型の角速度センサを採用することができる。なお、振動体１０には、以下に示す各圧電素子１１〜１６が設けられている。符号１１，１２は振動体１０に周期的な信号（駆動信号、例えば正弦波）を印加するための駆動用圧電素子、符号１３，１４は駆動振動方向と直交する方向への振動体１０の検出振動を検出する検出用圧電素子、符号１５，１６は駆動振動方向への振動をモニタし、モニタ信号を出力するための参照用圧電素子である。

駆動部２０は、振動体１０を所定の駆動周波数にて駆動振動させることのできる構成であれば採用することができる。本実施形態においては、その一例として、参照用圧電素子１５，１６の出力を差動増幅する増幅器２１、増幅器２１からの振動電圧出力を９０度位相する位相器２２、及び分岐された位相器２２からの出力を増幅する増幅器２３を、要部として含んでいる。

検出部３０は、駆動振動された振動体１０に角速度が印加された際の、駆動振動方向と直交する方向への振動体１０の検出振動に基づいて角速度を検出することのできる構成であれば採用することができる。本実施形態においては、その一例として、検出用圧電素子１３，１４の出力を差動増幅する増幅器３１、増幅器３１からの出力Ｖ１を復調する同期検波部３２、及び同期検波部３２からの出力を平滑化するローパスフィルタ３３を、要部として含んでいる。なお、同期検波部３２の参照周波数信号は、振動体１０の速度と加わる角速度とのベクトルの積に比例して発生するので、駆動振動波形に対し、コリオリ力の検出波形は必ず９０度位相変化した形で検出される。したがって、位相器２２にて９０度位相した信号Ｖ２（駆動振動波形）はコリオリ力の検出波形と位相が一致し、同期検波用の参照周波数信号として好適である。

減衰部４０は、角速度とは別に外部から振動の印加を受けた振動体１０の誤振動に基づく信号（検出系の共振周波数ｆｓを含まない所定帯域の周波数成分）を減衰させ、角速度センサ１００から出力されるヨーレート信号Ｖｙが異常となるのを防ぐことのできる構成であれば採用することができる。ここで、車両においては、上述したように、振動体１０の駆動系の共振周波数（駆動周波数）ｆｄ、その奇数高調波３ｆｄ、５ｆｄ、・・・、駆動系の共振周波数ｆｄと検出系（検出振動）の共振周波数ｆｓとの差の周波数Δｆ＝｜ｆｄ−ｆｓ｜などの成分を含む所定帯域の外部振動が振動体１０に加わった場合に、誤振動に基づく信号（周波数成分）が検出部３０を構成する同期検波部３２に伝達され、ヨーレート信号Ｖｙが異常となる。なお、検出部３０（同期検波部３２）への誤振動に基づく信号（周波数成分）の伝達経路は、信号Ｖ１，Ｖ２の２経路存在する。

そこで、本実施形態においては、減衰部４０として帯域除去フィルタ４１，４２を採用し、一方の帯域除去フィルタ４１を、駆動部２０と検出部３０との間（位相器２２によって９０度位相された信号Ｖ２の伝達経路）に設けている。また、他方の帯域除去フィルタ４２を、振動体１０と検出部３０との間（増幅器３１と同期検波部３２と間の信号Ｖ１の伝達経路）に設けている。なお、本実施形態においては、帯域除去フィルタ４２のように、振動体１０と検出部３０を構成する同期検波部３２との間に帯域除去フィルタ４２が設けられた構成も、振動体１０と検出部３０との間に設けられた構成として扱うものとする。

帯域除去フィルタ４１，４２は、ともに振動体１０の駆動系の共振周波数ｆｄと検出系の共振周波数ｆｓとの差の周波数Δｆを、中心周波数ｆ_０として設定されている。車両搭載下において、周波数成分としてΔｆ（特に検出系の機械的Ｑ値が高い場合）を含む外部振動が印加された場合には、小さな振動レベルでもヨーレート信号Ｖｆが異常となる恐れがあるが、本実施形態においてはΔｆを帯域除去フィルタ４１，４２の中心周波数ｆ_０とするので、Δｆ付近の周波数成分を効率よく除去することができる。

なお、角速度センサ１００に印加される外部振動としては、車両搭載下において、角速度センサ１００が取り付けられる車両フレームの構造に起因するもので５００ｋＨｚ以下、車両の走行状態時の振動に起因するもので２ｋＨｚ以下、飛び石等の異物衝突に起因するもので１０ｋＨｚ以下の周波数成分を含むものが一般的である。したがって、好ましくは中心周波数ｆ_０（周波数Δｆ）が５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲で設定されれば良く、少なくとも車両搭載下において必然的に生じる外部振動の周波数成分を除去すべく５００Ｈｚ以上２ｋＨｚ以下の範囲で設定されれば良い。本実施形態においては、中心周波数ｆ_０（周波数Δｆ）を２ｋＨｚとしている。

なお、このような帯域除去フィルタ４１，４２は、１つの素子として構成されても良いし、１つの回路部として構成されても良い。本実施形態においては、１つの素子として構成されている。

このように本実施形態に係る角速度センサ１００によれば、駆動振動された振動体１０に角速度とは別の外部振動が印加されても、印加を受けた振動体１０の誤振動に基づく信号（周波数成分）を帯域除去フィルタ４１，４２によって減衰させ、ヨーレート信号Ｖｙが外部振動によって異常となることを防ぐことができる。したがって、例えば図２に示すように、上述の角速度センサ１００、ヨーレート信号Ｖｙを含む信号に基づいて、アクチュエータ１２０の動作を制御（例えばブレーキを制御）する制御装置１１０、及びアクチュエータ１２０（例えば車輪の制動駆動（車輪のトルクやブレーキング量などの変更））とにより構成される車両制御システム２００において、システム２００を無効状態とすることなく安全性を向上することができる。図２は、角速度センサ１００を含む車両制御システム２００の概略構成を示すブロック図である。このように、上述の角速度センサ１００は、車両制御システム２００を構成する角速度センサとして好適である。また、異常となる周波数帯を含む振動が角速度センサ１００に印加されないように、防振構造を最適化しなくとも良いので、防振構造を簡素化することができる。

また、本実施形態においては、減衰部４０として帯域除去フィルタ４１,４２を採用しているので、外部振動に対応した所定帯域の周波数成分のみを効率よく除去することができる。さらには、減衰部４０として、検出部３０（同期検波部３２）への誤振動に基づく信号（周波数成分）の２つの伝達経路に、それぞれ帯域除去フィルタ４１，４２を設けている。したがって、外部振動の印加を受けた振動体１０の誤振動に基づく信号（周波数成分）を、より効率よく減衰させることができる。なお、複数の伝達経路を有する構成においては、少なくとも１つの伝達経路に帯域除去フィルタ４１（４２）を設ければ、外部振動の印加を受けた振動体１０の誤振動に基づく信号を減衰させることができる。

なお、本実施形態においては、帯域除去フィルタ４１，４２の中心周波数ｆ_０がΔｆとされる例を示した。しかしながら、それ以外にも、駆動系の共振周波数（駆動周波数）ｆｄを中心周波数ｆ_０としても良い。駆動周波数ｆｄを含む外部振動が印加された場合、小さな振動レベルでもヨーレート信号Ｖｙが異常となる恐れがあるが、このような構成とすれば、ヨーレート信号Ｖｙが外部振動によって異常となることを防ぐことができる。さらには、帯域除去フィルタ４１，４２が、駆動系の共振周波数（駆動周波数）ｆｄの奇数高調波３ｆｄ、５ｆｄ、・・・を中心周波数ｆ_０として設定された構成としても良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図３及び図４に基づいて説明する。図３は、第２実施形態に係る角速度センサ１００の概略構成を示すブロック図である。図４は、マイコンによる制御手順を示すフロー図である。

第２実施形態に係る角速度センサ１００は、第１実施形態に示した角速度センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

第１実施形態においては、減衰部４０としてハードウェアによる構成を示した。これに対し、本実施形態においては、減衰部４０として、コンピュータで所定のアルゴリズム処理を実行することにより、誤振動に基づく信号を減衰させるソフト処理部を含む点を特徴とする。

具体的には、図３に示すように、角速度センサ１００は、振動体１０、駆動部２０、検出部３０を含む減衰部４０としてのマイコン（コンピュータ）４３、及び通信ドライバ５０を、要部として含んでいる。このように、近年では、標準化のため、角速度センサ１００の出力として、例えば、シリアル通信であるＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのデジタル出力が採用されており、そのために、マイコン４３が搭載された角速度センサ１００が登場してきている。このマイコン４３を用いることによって、第１実施形態の図１に示した回路のように、ハードウェアによる減衰部４０（帯域除去フィルタ４１，４２）を追加することなく、ソフトウェアによる所定のロジック（例えば図１に示した帯域除去フィルタ４１，４２に相当するデジタルフィルタ）で、外部振動に基づく周波数成分を除去することが可能である。

図３及び図４に示すように、振動体１０からの信号Ｖ１と、駆動部２０からの信号Ｖ２は、マイコン４３のＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）入力端子（図示略）に供給される（Ｓ１０）。マイコン４３は、ソフトウェアによって、サンプリングされたデジタル値である信号Ｖ１Ｄ，Ｖ２Ｄ（信号Ｖ１，Ｖ２がデジタル化された信号）の周波数分析を行う（Ｓ２０）。そして、角速度センサ１００の誤出力が発生するおそれのある外部振動に基づく周波数成分を含む場合には、当該周波数成分を除去する補正処理を行う（Ｓ３０）。そして、所定の検出処理（第１実施形態に示した同期検波部３２の処理に相当）を実行（Ｓ４０）したのち、通信ドライバ５０を用いて、シリアル通信を介して車両制御システム２００の制御装置１１０（第１実施形態に示した図２参照）に通知される。

このように本実施形態に係る角速度センサ１００によれば、減衰部４０としてのマイコン４３を採用することで、ヨーレート信号Ｖｙが外部振動によって異常となることを防ぐことができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態においては、ハードウェア構成された減衰部４０として、帯域除去フィルタ４１,４２を採用する例を示した。しかしながら、ハードウェア構成された減衰部４０としては、それ以外のフィルタ（ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ）を採用することができる。また、それらを組み合わせて減衰部４０とすることもできる。

第１実施形態に係る振動型角速度センサの概略構成を示す回路図である。 角速度センサを含む車両制御システムの概略構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る振動型角速度センサの概略構成を示すブロック図である。 制御手順を示すフロー図である。

符号の説明

１０・・・振動体
２０・・・駆動部
３０・・・検出部
３２・・・同期検波部
４０・・・減衰部
４１，４２・・・帯域除去フィルタ（減衰部）
１００・・・角速度センサ（振動型角速度センサ）

Claims (10)

1. 振動体と、
   前記振動体に駆動電圧を印加し、前記振動体を所定の駆動周波数にて駆動振動させる駆動部と、
   前記駆動振動された前記振動体に角速度が印加された際の、前記駆動振動方向と直交する方向への前記振動体の検出振動に基づいて前記角速度を検出する検出部と、
   前記角速度とは別に外部から振動の印加を受けた前記振動体の誤振動に基づく信号を減衰させる減衰部と、を備えることを特徴とする振動型角速度センサ。
2. 車両に搭載され、前記減衰部として、前記駆動部と前記検出部との間、及び、前記振動体と前記検出部との間の少なくとも一方に設けられ、前記検出振動の共振周波数を含まない所定帯域の信号を減衰させる帯域除去フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
3. 前記帯域除去フィルタは、前記駆動周波数と前記検出振動の共振周波数との差の周波数を中心周波数とすることを特徴とする請求項２に記載の振動型角速度センサ。
4. 前記中心周波数は、５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲で設定されていることを特徴とする請求項３に記載の振動型角速度センサ。
5. 前記帯域除去フィルタは、前記駆動周波数を中心周波数とすることを特徴とする請求項２に記載の振動型角速度センサ。
6. 前記帯域除去フィルタは、前記駆動周波数の奇数高調波を中心周波数とすることを特徴とする請求項２に記載の振動型角速度センサ。
7. 前記帯域除去フィルタフィルタは、１つの素子として構成されていることを特徴とする請求項２〜６いずれか１項に記載の振動型角速度センサ。
8. 前記帯域除去フィルタは、１つの回路部として構成されていることを特徴とする請求項２〜６いずれか１項に記載の振動型角速度センサ。
9. 前記減衰部として、コンピュータで所定のアルゴリズム処理を実行することにより、前記誤振動に基づく信号を減衰させるソフト処理部を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
10. 請求項１〜９いずれか１項に記載の振動型角速度センサと、車両のアクチュエータと、前記振動型角速度センサの検出信号に基づいて、前記アクチュエータの動作を制御する車両制御装置と、を備えることを特徴とする車両制御システム。

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