JP2009002735A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角速度を高精度に検出する角速度検出装置を提供する。
【解決手段】角速度検出装置１０は、角速度の検出軸となる第１検出軸および第２検出軸を備え、第１検出軸および第２検出軸が互いに交差してなるセンサ部１２と、第１検出軸回りの角速度の検出出力と第２検出軸回りの角速度の検出出力とをそれぞれオフセット調整および感度調整するセンサ出力補正回路２０と、第１検出軸および第２検出軸のうちいずれか一方の検出軸における角速度の回転方向の符号を求める符号判定回路３０と、センサ出力補正回路２０が出力した第１検出軸および第２検出軸回りの角速度の検出出力を２乗和平均した結果と、符号判定回路３０が出力した符号とを乗算する振幅演算回路３２とを備えている。また角速度検出装置１０は、バンク角度を求める位相演算回路４２を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度検出装置に関するものである。

移動体が移動している最中の挙動を高精度に検出して、ナビゲーションシステムや安全装置、移動データ収集装置等に利用するには、この移動体のヨー角およびバンク（ロール）角を求める必要がある。ヨー角を求めるには、ジャイロセンサを用いることが一般的であるが、移動体の種類によっては正確なヨー角を得ることができない場合があった。例えば、移動体が二輪車である場合には、ジャイロセンサを二輪車の車体に固定することになるが、二輪車がバンクすることによって角速度の検出軸が傾いてしまい、二輪車の正確なヨー角を得ることができなかった。

このように走行時にロール角が大きく変化する二輪車等の場合には、ヨー角に対するロール角の影響が無視できないため、このヨー角を高精度に検出する必要がある。このために特許文献１に開示されたナビゲーション装置では、２つの音叉型のジャイロセンサを用いることにより、ロール角が変化しても旋回角速度を測定できるようにしている。すなわちナビゲーション装置は、移動体の正立状態における垂直な方向に対して左右方向に、且つ、各ジャイロセンサの検出軸を互いに逆方向に同一角度を傾けて左右対称にして、ジャイロセンサを設置している。そしてナビゲーション装置は、移動体が傾いたときに、各ジャイロセンサから出力する信号の変化を得て、これの演算を行うことによりロール角を求め、さらにこのロール角を用いて旋回角速度を求めている。
特開２００６−１２６１７８号公報

しかしながら前述した特許文献１に記載された発明（以下「文献１発明」という。）は、ジャイロセンサを傾斜させて移動体に搭載した場合、ジャイロセンサの検出軸を移動体の垂直方向から傾けて使用することになり、角速度の変化に対する検出感度能力を犠牲にすることになってしまう。すなわち図９に１つのジャイロセンサの感度と傾き角度との関係を示すように、ジャイロセンサの検出軸の傾き角度が大きくなると、ジャイロセンサの検出感度が落ちることになる。そして特に、ジャイロセンサが音叉型の場合では、駆動腕および検出腕がそれぞれ１本づつしか存在しないので、検出感度がもともと低くなっている。このため文献１発明は、２つのジャイロセンサ間の傾き角を大きく設定することは、検出感度の点から難しくなっている。

一方、音叉型のジャイロセンサを高感度にするには、ジャイロセンサの駆動腕および検出腕（振動腕）を長くする方法がある。しかし、この方法では、ジャイロセンサが大型になってしまい、また音叉型ジャイロセンサの角速度検出軸が振動腕の延長方向であるから、文献１発明では、ナビゲーション装置自体の高背化（大型化）を避けることができない。また音叉型のジャイロセンサを高感度にするには、ゲインを上げる（信号の増幅率を上げる）ことによっても可能であるが、この場合、ノイズ信号も増幅されるので信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比の悪化により検出精度の低下を招いてしまうおそれがある。

また文献１発明は、２つのジャイロセンサが同一感度でなければならなかったり、移動体の正立状態においてジャイロセンサを左右対称に配設しなければならなかったりする。このため各ジャイロセンサの感度に差が有ると、この感度差は旋回角速度の誤差となり、ナビゲーション装置の精度が劣る原因になる。またジャイロセンサの構造設計上、直立や水平にセンサを配設することは比較的容易であるが、ある角度で左右対称に配設しなければならない場合では、取り付けられる土台等を工夫しなければならないので、製造コストが高くなってしまう。

本発明は、角速度を高精度に検出する角速度検出装置を提供するものを目的とする。

本発明に係る角速度検出装置は、角速度の検出軸となる第１検出軸および第２検出軸を備え、第１検出軸および第２検出軸が互いに交差してなるセンサ部と、第１検出軸回りの角速度の検出出力と第２検出軸回りの角速度の検出出力とをそれぞれオフセット調整および感度調整するセンサ出力補正回路と、第１検出軸および第２検出軸のうちいずれか一方の検出軸における角速度の回転方向の符号を求める符号判定回路と、センサ出力補正回路が出力した第１検出軸および第２検出軸回りの角速度の検出出力を２乗和平均した結果と、符号判定回路が出力した符号とを乗算する振幅演算回路とを備えたことを特徴としている。センサ部の出力信号をセンサ出力補正回路でオフセット調整および感度調整しているので、第１角速度センサと第２角速度センサとで同じ感度のものを用いなくてもよい。またセンサ部の出力を演算することにより、重力加速度方向と第１検出軸および第２検出軸とのなす角度が同じでなくてもよい。以上より、角速度検出装置の誤差を少なくでき、角速度を高精度に検出できる。

前述したセンサ部は、第１検出軸回りの角速度を検出する第１角速度センサと、第２検出軸回りの角速度を検出する第２角速度センサと備え、重力加速度方向と第１検出軸とのなす角度θ１と、重力加速度方向と第２検出軸とのなす角度θ２とがθ１＝−θ２の関係を満たすよう、第１角速度センサおよび第２角速度センサを配設したことを特徴としている。これにより各角速度センサを傾斜させれば、第１検出軸と第２検出軸を交差させることができる。そして重力加速度方向に対して角速度の検出範囲を広げることができる。

また前述した角速度センサはダブルＴ型ジャイロセンサであり、ダブルＴ型ジャイロセンサは、基部と、基部の互いに対向する位置からそれぞれ延設した検出腕と、基部から延設し、且つ、検出腕に対して平行に配設した駆動腕とを備えたことを特徴としている。ダブルＴ型ジャイロセンサは、駆動腕が４本、検出腕が２本存在しているので検出感度を高くできる。よって第１検出軸および第２検出軸と重力加速度とのなす角度θ１，θ２を大きくしても、センサ部に加わる角速度の検出能力を維持できる。また検出感度の向上により、ゲインを上げる必要がなくなり、角速度検出装置自体が大型化することを防止できる。

また本発明に係る角速度検出装置は、第１検出軸と第２検出軸とのなす角度は９０°±２°であることを特徴としている。これによりセンサ部の傾斜（ロール角度）が大きくなっても、センサ部に加わる角速度（ヨー角度）の検出能力を維持できる。またロール角度およびヨー角度の得る演算が簡単になるので、演算処理速度を高速にできる。

また本発明に係る角速度検出装置は、振幅演算回路の後段に制御回路が接続してあり、制御回路は、振幅演算回路から乗算結果と複数の物理量センサの出力結果とを入力して乗算結果と出力結果とを比較し、乗算結果と出力結果とが合致しないときに、これらの結果を合致させるオフセット調整係数または感度調整係数をセンサ出力補正回路に出力してなることを特徴としている。これにより振幅演算回路の出力にズレがあったとしても、このズレを修正する調整係数をセンサ出力補正回路が入力して、各調整係数を書き換えるので、ズレを抑えることができる。

また本発明に係る角速度検出装置は、センサ出力補正回路が出力した第１検出軸回りの角速度の検出出力ω１’および第２検出軸回りの角速度の検出出力ω２’を入力して、

の演算を行い、バンク角θを求めるバンク角演算回路を備えたことを特徴としている。角速度検出装置は、センサ部がバンクした場合でも、入力される角速度の軸が一定であるので、バンク角θを求めることができる。これによりバンク角検出装置を備えた角速度検出装置を得ることができる。

また本発明に係る角速度検出装置は、センサ出力補正回路が出力した第１検出軸回りの角速度の検出出力および第２検出軸回りの角速度の検出出力を入力して、予め設定してあるしきい値と各検出出力とをそれぞれ比較し、またはバンク角演算回路が演算したバンク角の出力と予め設定してあるしきい値とを比較し、それぞれの出力がしきい値より以上であれば故障と診断するセンサ故障診断回路を備えたことを特徴としている。これによりセンサ部に故障が発生すれば、この故障を検出できる。

また本発明に係る角速度検出装置は、移動体にセンサ部を配設し、移動体の直進方向に直交して第１検出軸および第２検出軸を配設したことを特徴としている。これにより角速度検出装置は、移動体のヨー角を高精度に得ることができる。また移動体のロール角度が大きい状態であっても、ヨー角を得ることができる。さらに角速度検出装置は、移動体のロール角を得ることができるので、移動体の移動状態を得ることができる。

以下に、本発明に係る角速度検出装置の実施形態について説明する。図１は角速度検出装置のブロック図である。角速度検出装置１０は、センサ部１２、センサ出力補正回路２０、符号判定回路３０、振幅演算回路３２、バンク角演算回路４０、センサ故障診断回路４４および制御回路５０を備えている。これらの回路等の概略構成は、次のようになっている。センサ部１２は、角速度の検出軸となる第１検出軸および第２検出軸を備えており、第１検出軸および第２検出軸が互いに交差している。センサ出力補正回路２０は、センサ部１２が出力した第１検出軸回りの角速度の検出出力と、第２検出軸回りの角速度の検出出力とを、それぞれオフセット調整および感度調整している。

符号判定回路３０は、センサ出力補正回路２０が出力した第１検出軸回りの角速度の検出出力および第２検出軸回りの角速度の検出出力のうち、いずれか一方の検出軸における角速度の回転方向の符号を求めている。振幅演算回路３２は、センサ出力補正回路２０が出力した第１検出軸回りの角速度の検出出力と第２検出軸回りの角速度の検出出力とを２乗和平均演算して、この２乗和平均した結果と符号判定回路３０が出力した符号とを乗算している。バンク角演算回路４０は、センサ出力補正回路２０が出力した第１検出軸回りの角速度の検出出力および第２検出軸回りの角速度の検出出力を入力して演算を行うことによりバンク角を求めている。センサ故障診断回路４４は、センサ部１２の故障の有無を診断している。

制御回路５０は、振幅演算回路３２、バンク角演算回路４０およびセンサ故障診断回路４４の後段に接続している。この制御回路５０は、振幅演算回路３２、バンク角演算回路４０およびセンサ故障診断回路４４から演算結果等を入力するともに、センサ部１２以外の他の物理量センサが出力した測定結果を入力して、振幅演算回路３２の出力結果を他の物理量センサの測定結果と比較している。そして制御回路５０は、振幅演算回路３２の出力結果にズレがあるときに、このズレを無くすように修正したオフセットまたは感度の調整係数をセンサ出力補正回路２０に出力している。

次に、角速度検出装置１０の詳細について説明する。まずセンサ部１２は、第１検出軸回りの角速度を検出する第１角速度センサ１４、および第２検出軸回りの角速度を検出する第２角速度センサ１６を備えている。各角速度センサ１４，１６は、検出軸回りの角速度を検出できるものであればよいが、例えばダブルＴ型ジャイロセンサを用いることができる。この角速度センサの一例であるダブルＴ型ジャイロセンサは、次のようになっている。

図２はダブルＴ型ジャイロセンサの概略斜視図である。ダブルＴ型ジャイロセンサ６０は、水晶を用いており、水晶結晶のｘ軸（電気軸）およびｙ軸（機械軸）で形成されるｘｙ平面で切り出されたＺカット水晶基板から形成されている。この水晶基板の主面が、ダブルＴ型ジャイロセンサ６０の主面になっている。なおｘｙ平面の垂直方向が水晶結晶のｚ軸（光学軸）になっている。

そしてダブルＴ型ジャイロセンサ６０は、ｘｙ平面内において、矩形状の基部６２を有している。この基部６２には、ｘｙ平面内において、ｙ軸に平行な各端辺の中央からｘ軸に平行な方向に延びた連結腕６４が設けてある。また各連結腕６４の先端付近からは、ｘｙ平面内において、ｙ軸に平行な方向に延びた駆動腕６６が延設している。そして各駆動腕６６の先端には、この駆動腕６６よりもｘ軸方向の幅を広くした矩形状の錘部６８が駆動腕６６と一体になって設けてある。また基部６２には、ｘｙ平面内において、ｘ軸に平行な各端辺の中央からｙ軸に平行な方向に延びた検出腕７０が設けてある。これにより検出腕７０と駆動腕６６は、互いに平行になっている。そして各検出腕７０の先端には、この検出腕７０よりもｘ軸方向の幅を広くした矩形状の錘部７２が検出腕７０と一体になって設けてある。

このような駆動腕６６および検出腕７０の主面には、これらの腕６６，７０の長さ方向に沿った溝７４が設けてある。この溝７４の内面全体に駆動電極用または検出電極用の金属膜を設けることにより、駆動腕６６および検出腕７０のｚｙ平面に平行する面に形成した駆動電極（図示せず）または検出電極（図示せず）と溝７４に設けた電極（図示せず）との間に効率良く電界を発生させることができるので、ダブルＴ型ジャイロセンサ６０の小型化を可能にしている。すなわちダブルＴ型ジャイロセンサ６０は、水晶デバイスのＭＥＭＳになっている。なお前記駆動電極は各駆動腕６６に設けてあり、前記検出電極は各検出腕７０に設けてある。前記駆動電極および前記検出電極は、基部６２の裏面に設けた振動片側マウント電極（図示せず）と１対１に接続している。この振動片側マウント電極は、ダブルＴ型ジャイロセンサ６０がパッケージに収容されたときに、パッケージ側の電極との接続する箇所（後述する中間基板のリードとの接続する箇所）になる。このようなダブルＴ型ジャイロセンサ６０は、角速度の検出軸がこのセンサ６０の主面に対して垂直方向（ｚ軸に沿った方向）になっているので低背構造となり、また駆動腕６６が４本、検出腕７０が２本存在しているので、検出感度が高くなっている。

そしてダブルＴ型ジャイロセンサ６０では、前記振動片側マウント電極を介して発振回路から前記駆動電極に電気信号（ドライブ信号）を供給すると、駆動腕６６が対称的に屈曲振動（駆動振動）する。すなわち図２の左側に示す駆動腕６６と右側に示す駆動腕６６とが、ダブルＴ型ジャイロセンサ６０の重心を通るｙ軸に平行な線に対して線対称の振動をする。このような駆動振動をダブルＴ型ジャイロセンサ６０が行っているときに、ｚ軸回りの角速度が加えられると駆動腕６６にはｙ軸方向のコリオリ力が働くことになる。そして、コリオリ力の影響を受けて検出腕７０が屈曲振動（検出振動）するので、出力信号Ｖが前記検出電極を介して前記振動片側マウント電極から出力する。

このようなダブルＴ型ジャイロセンサ６０は、パッケージに収容されている。図３はパッケージに収容されたダブルＴ型ジャイロセンサの斜視図である。なお図３では、蓋体およびリードの記載を省略している。ダブルＴ型ジャイロセンサ６０は、パッケージ８０に収容されたときに、中間基板８６の上方に配設してあればよい。この中間基板８６には、中央部にデバイスホール８８が設けてある。そして中間基板８６の下面または中間層に複数のリード（リード電極）が設けてあり、このリードの先端側がデバイスホール８８内に突き出ている。この突き出た部分は上方に折り曲げられており、この先端部にダブルＴ型ジャイロセンサ６０の基部６２が接合している。なおリードの先端部とダブルＴ型ジャイロセンサ６０に設けた前記各振動片側マウント電極とが１対１に接続している。

また図３に示すパッケージ８０は、上方に向けて開口した凹陥部８４を備えたパッケージベース８２と、パッケージベース８２の上面に接合して凹陥部８４を封止する蓋体を備えている。このパッケージベース８２の凹陥部８４は、前記発振回路等を備えた集積回路（ＩＣ）チップ（図示せず）や、ダブルＴ型ジャイロセンサ６０が接合している中間基板８６を搭載するようになっている。すなわち前記ＩＣチップは、凹陥部８４内の底面に搭載すればよい。またダブルＴ型ジャイロセンサ６０が接合した中間基板８６は、ダブルＴ型ジャイロセンサ６０を上方に向けるとともに、前記ＩＣチップの上方に位置するよう凹陥部８４に配設すればよい。これによりダブルＴ型ジャイロセンサ６０と前記ＩＣチップが導通するとともに、パッケージベース８２の裏面に設けた外部端子（図示せず）と前記ＩＣチップが導通する。そしてパッケージベース８２の上面（表面）に蓋体を接合して、ダブルＴ型ジャイロセンサ６０等を真空封止している。

そしてセンサ部１２は、第１角速度センサ１４の第１検出軸と第２角速度センサ１６の第２検出軸とが交差するように、各角速度センサ１４，１６を配設している。図４は第１角速度センサおよび第２角速度センサを傾斜させて配設したときの説明図である。センサ部１２では、第１角速度センサ１４の検出軸Ｚ１が、図４において破線で示す重力加速度の方向に対してなす角度θ１傾斜するとともに、第２角速度センサ１６の検出軸Ｚ２が、重力加速度の方向に対してなす角度θ２傾斜するように、各角速度センサ１４，１６を傾けて配設してある。ここでθ１とθ２は、θ１＝−θ２の関係を満たすようになっている。またセンサ部１２は、移動体に配設された場合、移動体の直進方向（図４に示す場合では＋Ｙ方向）に対して直交する方向、すなわちＹ軸に対して互いに直交するＸ軸とＺ軸で形成されるＸＺ平面内に、第１検出軸および第２検出軸を配置するように、各角速度センサ１４，１６を配設している。なおセンサ部１２は、第１検出軸と第２検出軸の間に、移動体に対して垂直方向の軸（移動体のヨー角を検出する軸）を配設するように各角速度センサ１４，１６を配設していればよく、例えば前述した重力加速度方向と移動体のヨー角を検出する軸とを一致させてもよい。

そして角速度センサ１４，１６としてダブルＴ型ジャイロセンサ６０を用いると、前述したように、角速度センサ１４，１６が低背構造でありながら、検出感度が高くなっているので、音叉型のジャイロセンサと比較して検出軸の傾斜角を大きく設定しても角速度の検出能力を維持できる。したがって第１検出軸および第２検出軸と重力加速度方向とのなす角度θ１，θ２を、０°より大きく９０°未満の広範囲から適宜選択することが可能であり、ロール角を検出する上でより適切ななす角度を選択することが可能である。なお、なす角度θ１，θ２が４５°よりも小さい場合、ロール角が大きくなるにつれて角速度の検出能力が極端に低くなってしまう。したがって、より適切ななす角度θ１，θ２として４５°に設定すればよい。

図５はなす角度θ１，θ２が４５°のときの角速度の検出感度の高さを示す図である。なす角度θ１，θ２を４５°に設定すれば、例えばなす角度が４４°未満の場合と比較して重力加速度方向（Ｚ軸方向）の検出感度は多少低くなるものの、ロール角度が大きいときの検出能力を高く確保できる。特に、センサ部１２が配設される移動体が二輪車等の場合では、移動体がバンクしつつ旋回するので、ロール角度が大きい状態での検出能力を維持することが望まれる。したがって、このような場合に、移動体のヨー角を検出する軸と、第１角速度センサ１４および第２角速度センサ１６のなす角度θ１，θ２を４５°に設定することが最適になる。また、なす角度θ１，θ２を４５°に設定した場合は、ロール角度およびヨー角度の算出が簡単になるので、この算出処理速度を高速化して、すばやく移動体の移動状態を得ることが可能になる。なお、なす角度θ１，θ２を４５°に設定した場合は、各角度の公差をそれぞれ±１°とすることができる。よってセンサ部１２は、第１検出軸Ｚ１が第２検出軸Ｚ２に対して９０°±２°傾いていれば、ロール角度が大きいときの検出能力を確保できる。

このようなセンサ部１２では、第１角速度センサ１４が出力信号Ｖ１を出力しており、第２角速度センサ１６が出力信号としてＶ２を出力している。なおＶ１，Ｖ２は、電圧の信号になっている。

そしてセンサ出力補正回路２０は、図１に示すように、センサ部１２の後段に接続している。このセンサ出力補正回路２０は、オフセット調整回路２２，２４および感度調整回路２６，２８を備えており、これらの調整回路２２〜２８が第１，第２角速度センサ１４，１６の後段にそれぞれ接続している。オフセット調整回路（第１オフセット調整回路２２および第２オフセット調整回路２４）は、角速度センサ１４，１６の後段に接続しており、角速度センサ１４，１６の出力をオフセット調整している。そして第１オフセット調整回路２２は、数式３に示す演算を行うものであり、第１角速度センサ１４の出力Ｖ１にオフセット調整係数Ｂ１を加算することによりオフセット調整して、調整結果Ｖ１’’を出力している。

また第２オフセット調整回路２４は、数式４に示す演算を行うものであり、第２角速度センサ１６の出力Ｖ２にオフセット調整係数Ｂ２を加算することによりオフセット調整して、調整結果Ｖ２’’を出力している。

したがってオフセット調整回路２２，２４は、前述したように角速度センサ１４，１６の出力にオフセット調整係数を加算できる回路であればよく、具体的な一例としては図６（Ａ）に示す加算回路であってもよい。

また感度調整回路（第１感度調整回路２６および第２感度調整回路２８）は、図１に示すように、オフセット調整回路２２，２４の後段に接続しており、角速度センサ１４，１６の出力を感度調整している。そして第１感度調整回路２６は、数式５に示す演算を行うものであり、第１オフセット調整回路２２の出力Ｖ１’’から静止時出力電圧（基準電圧）Ｖｒｅｆを減算した値に、感度調整係数Ａ１をスケールファクタ（角速度感度）Ｓ１［ｍＶ／（ｄｅｇ．／ｓ）］で除算した値を乗算して、調整結果ω１’を出力している。

なお静止時出力電圧は、角速度センサ１４，１６に角速度が加わっていない時における、この角速度センサ１４，１６の出力信号の値である。

また第２感度調整回路２８は、数式６に示す演算を行うものであり、第２オフセット調整回路２４の出力Ｖ２’’から静止時出力電圧Ｖｒｅｆを減算した値に、感度調整係数Ａ２をスケールファクタＳ２で除算した値を乗算して、調整結果ω２’を出力している。

したがって感度調整回路２６，２８は、前述したようにオフセット調整結果から基準電圧を減算した値に、感度調整係数をスケールファクタで除算した値を乗算できる回路であればよく、具体的な一例としては図６（Ｂ）に示す乗算回路であってもよい。

またセンサ出力補正回路２０は、図１に示すように、制御回路５０の出力信号を入力するようになっている。すなわち第１オフセット調整回路２２は、オフセット調整係数Ｂ１を制御回路５０から入力するようになっており、第２オフセット調整回路２４は、オフセット調整係数Ｂ２を制御回路５０から入力するようになっている。また第１感度調整回路２６は、感度調整係数Ａ１を制御回路５０から入力するようになっており、第２感度調整回路２８は、感度調整係数Ａ２を制御回路５０から入力するようになっている。そして各オフセット調整回路２２，２４および各感度調整回路２６，２８は、制御回路５０から新たな調整係数を入力すると、自己が記憶している調整係数を書き換えて、新たな調整係数を用いてオフセット調整や感度調整を行うようになっている。

このようなセンサ出力補正回路２０の後段に符号判定回路３０、振幅演算回路３２、バンク角演算回路４０およびセンサ故障診断回路４４が接続している。符号判定回路３０は、第１感度調整回路２６および第２感度調整回路２８のいずれか一方に接続している。図１に示す場合、符号判定回路３０は、第１感度調整回路２６に接続している。そしてこの場合、符号判定回路３０は、第１感度調整回路２６の出力ω１’の符号を求め、この結果ｓｉｇｎ（ω１’）を振幅演算回路３２に出力している。

なお角速度センサ１４，１６は、これの検出軸が上方を向いている場合に、検出軸に対して時計回りの回転が加わるとＣＷと検出し、検出軸が下方を向いている場合に、検出軸に対して時計回りの回転が加わるとＣＣＷを検出するようになっている。このため第１角速度センサ１４の第１検出軸と、第２角速度センサ１６の第２検出軸が直交している場合には、第１角速度センサ１４が検出するＣＷまたはＣＣＷと、第２角速度センサ１６が検出するＣＷまたはＣＣＷとの組合せを読み取ることにより、何処の方向の検出軸から、どのような角速度が加わっているのか判別することができる。したがって符号判定回路３０は、第１感度調整回路２６および第２感度調整回路２８に接続すれば、何処の方向の検出軸から、どのような角速度が加わっているのか判別することが可能となる。

振幅演算回路３２は、２乗和平均回路３４と乗算回路３６を備えている。２乗和平均回路３４は、第１感度調整回路２６および第２感度調整回路２８に接続しており、これらの感度調整回路２６，２８の出力ω１’，ω２’を入力するようになっている。この２乗和平均回路３４は、数式７に示す演算を行うものであり、第１感度調整回路２６の出力ω１’と第２感度調整回路２８の出力ω２’をそれぞれ２乗したものを加算するとともに、加算した結果の平方根を演算して、演算結果｜ω０’｜を出力している。

そして２乗和平均回路３４は、数式７に示す演算をできる回路であればよく、具体的な一例としては図７に示す回路であってもよい。この図７に示す２乗和平均回路３４は、第１感度調整回路２６および第２感度調整回路２８の後段にそれぞれアナログ乗算回路９０を備えている。このアナログ乗算回路９０は、例えばＡＤ６３３乗算器であればよい。そして、これらのアナログ乗算回路９０の前段では、感度調整回路２６，２８の出力をそれぞれＸ１とＹ１の二手に分けており、アナログ乗算回路９０でＸ１とＹ１を乗算している。したがってアナログ乗算回路９０では、ω１’×ω１’の演算、ω２’×ω２’の演算を行っている。このアナログ乗算回路９０の後段に和算回路９２が接続している。この和算回路９２は、各アナログ乗算回路９０で演算した結果を入力して、これらを加算している。この和算回路９２の後段に２乗根回路９４が接続している。２乗根回路９４は、和算回路９２の演算結果を入力して、これの平方根を演算している。この平方根の演算結果が２乗和平均回路３４の出力｜ω０’｜となる。

そして振幅演算回路３２を構成する乗算回路３６は、図１に示すように、２乗和平均回路３４に接続している。この乗算回路３６は、数式８に示す演算を行うものであり、２乗和平均回路３４の出力｜ω０’｜と、符号判定回路３０の出力ｓｉｇｎ（ω１’）を入力して乗算し、その結果ω０’を出力している。

この乗算回路３６の結果ω０’は振幅演算回路３２の出力となり、この出力ω０’が移動体に対して垂直な方向の軸回りの角速度を表す。そして、この角速度を積分すれば、移動体のヨー角を得る。

バンク角演算回路４０は、センサ出力補正回路２０の後段に接続している。このバンク角演算回路４０は位相演算回路４２を備えており、この位相演算回路４２は、第１感度調整回路２６および第２感度調整回路２８の後段に接続している。位相演算回路４２は、数式９に示す演算を行うものであり、第１感度調整回路２６の出力ω１’と第２感度調整回路２８の出力ω２’を入力し、これらのアークタンジェントを演算することにより、バンク角θを求めている。

このようなアークタンジェントの演算を行うバンク角演算回路４０としては、図８に具体的一例を示すように、ＡＤ６３９を用いてもよい。

そしてバンク角演算回路４０を角速度検出装置１０に設けることにより、センサ部１２が配設された移動体がバンクすれば、この移動体のバンク角を求めることができる。

センサ故障診断回路４４は、センサ出力補正回路２０およびバンク角演算回路４０の後段に接続している。センサ故障診断回路４４は、第１感度調整回路２６の出力ω１’、第２感度調整回路２８の出力ω２’、位相演算回路４２の出力θ、およびセンサ部１２が取り付けられる移動体の速さを車速センサで計測したパルス（車速パルス）を入力している。そしてセンサ故障診断回路４４は、車速パルスの入力がない場合（移動体が移動していない場合）でもセンサ出力補正回路２０の出力ω１’，ω２’が有るときや、車速パルスの入力がない場合でも位相演算回路４２の出力θが有るときに、予め設定してあるしきい値と各感度調整回路２６，２８の出力ω１’，ω２’とをそれぞれ比較し、または予め設定してあるしきい値と位相演算回路４２の出力θとを比較し、各出力がしきい値以上であればセンサ部１２が故障していると診断する。この診断結果は、後段に出力される。

そして角速度検出装置１０を構成している制御回路５０は、移動***置判定回路５２および調整係数演算回路５４を備えている。移動***置判定回路５２は、振幅演算回路３２を構成している乗算回路３６、バンク角演算回路４０を構成している位相演算回路４２およびセンサ故障診断回路４４の出力をそれぞれ入力している。また移動***置判定回路５２は、移動体に配設された複数の物理量センサ（車速センサ、方位センサ、加速度センサ、圧力センサ、重力方位センサおよび温度センサ）の測定結果を入力している。

この移動***置判定回路５２は、振幅演算回路３２の出力ω０’と物理量センサの測定結果とを比較し、振幅演算回路３２の出力ω０’と物理量センサの測定結果とが合致するか否かを判定している。例えば、移動***置判定回路５２は、振幅演算回路３２およびバンク角演算回路４０から入力した結果から求めた移動体の位置と、複数の物理量センサの測定結果から求めた移動体の位置とを比較し、これらの位置が合致しないときに、総合的に判断して振幅演算回路３２およびバンク角演算回路４０の演算結果に基づいて求めた移動体の位置に誤差があると判定することができる。

そして調整係数演算回路５４は、移動***置判定回路５２の後段に接続している。調整係数演算回路５４は、移動***置判定回路５２で移動体の位置に誤差があると判定したときに、振幅演算回路３２およびバンク角演算回路４０の演算結果に基づいて求めた移動体の位置と、複数の物理量センサの測定結果から求めた移動体の位置とを合致させるような、センサ出力補正回路２０の調整係数を演算する。そして調整係数演算回路５４は、この演算結果をセンサ出力補正回路２０に出力する。

このような角速度検出装置１０は、センサ部１２の出力信号をセンサ出力補正回路２０でオフセット調整および感度調整しているので、第１角速度センサ１４と第２角速度センサ１６とで同じ感度のものを用いなくてもよくなり、また誤差を少なくできる。したがって角速度を高精度に検出できる。

またダブルＴ型ジャイロセンサ６０は、音叉型のジャイロセンサに比べて感度が高いので、このダブルＴ型ジャイロセンサ６０を角速度センサ１４，１６として用いれば、センサ部１２の検出感度を高くできる。よって第１検出軸と第２検出軸の傾斜角を大きく設定しても、角速度検出装置１０の検出能力を維持できる。また、これにより第１検出軸を第２検出軸に対して垂直にすることができ、この場合、ヨーレートの検出範囲を１８０°と広くできるとともに、角速度検出装置１０は、移動体に加わった角速度の軸を求めることができる。このため角速度検出装置１０のうち少なくともセンサ部１２が配設される移動体のバンク角が大きくなったときでも、この移動体のヨーレートの検出ができる。さらに第１検出軸と第２検出軸の傾斜角を大きく設定できるので、角速度センサ１４，１６をある所定の角度で傾けて移動体に配設する必要がなくなる。このためセンサ部１２を移動体に設置するのが容易になり、角速度センサ１４，１６の製造コストを抑えることができる。そして角速度検出装置１０をポータブル型にして、簡易に移動体に取り付けることができる。

また角速度検出装置１０は、移動体とともにセンサ部１２がバンクした場合でも、入力される角速度の軸が一定であるので、バンク角θを求めることができる。これによりバンク角検出装置を備えた角速度検出装置１０を得ることができる。このバンク角検出装置を備えた角速度検出装置１０では、求められたバンク角θにより移動体の移動状態を正確に把握できる。そして移動体が二輪車等であれば、この二輪車等の走行状態をより正確に把握できる。

なお本実施形態に係る角速度検出装置１０は、移動体に対して垂直方向のヨー角度を求めている。したがって移動体が傾斜面を移動していたとしても、角速度検出装置１０は、移動体に対して垂直方向のヨー角度を求めている。これに対し、ナビゲーション装置等では、移動体を地図上に投影したときのヨー角度を求める。すなわちナビゲーション装置等では、実際の移動体に対して天頂方向のヨー角度を求めているので、移動体が傾斜面を移動しているときでも天頂方向のヨー角度を求めている。したがって本実施形態の角速度検出装置１０とナビゲーション装置等では、基準とする検出軸が異なっている。

角速度検出装置のブロック図である。 ダブルＴ型ジャイロセンサの概略斜視図である。 パッケージに収容されたダブルＴ型ジャイロセンサの斜視図である。 第１角速度センサおよび第２角速度センサを傾斜させて配設したときの説明図である。 なす角度θ１，θ２が４５°のときの角速度の検出感度の高さを示す図である。 振幅演算回路を構成する内部回路の具体的な一例を図である。 ２乗和平均回路の具体的な一例を図である。 バンク角演算回路の具体的な一例を図である。 １つのジャイロセンサの感度と傾き角度θとの関係を示す図である。

符号の説明

１０………角速度検出装置、１２………センサ部、１４………第１角速度センサ、１６………第２角速度センサ、２０………センサ出力補正回路、２２，２４………オフセット調整回路、２６，２８………感度調整回路、３０………符合判定回路、３２………振幅演算回路、３４………２乗和平均回路、３６………乗算回路、４０………バンク角演算回路、４４………センサ故障診断回路、５０………制御回路、５２………移動***置判定回路、６０………ダブルＴ型ジャイロセンサ。

Claims (8)

1. 角速度の検出軸となる第１検出軸および第２検出軸を備え、前記第１検出軸および前記第２検出軸が互いに交差してなるセンサ部と、
   前記第１検出軸回りの角速度の検出出力と前記第２検出軸回りの角速度の検出出力とをそれぞれオフセット調整および感度調整するセンサ出力補正回路と、
   前記第１検出軸および前記第２検出軸のうちいずれか一方の検出軸における角速度の回転方向の符号を求める符号判定回路と、
   前記センサ出力補正回路が出力した前記第１検出軸および前記第２検出軸回りの角速度の検出出力を２乗和平均した結果と、前記符号判定回路が出力した符号とを乗算する振幅演算回路と、
   を備えたことを特徴とする角速度検出装置。
2. 前記センサ部は、前記第１検出軸回りの角速度を検出する第１角速度センサと、前記第２検出軸回りの角速度を検出する第２角速度センサと備え、
   重力加速度方向と前記第１検出軸とのなす角度θ１と、前記重力加速度方向と前記第２検出軸とのなす角度θ２とがθ１＝−θ２の関係を満たすよう、前記第１角速度センサおよび前記第２角速度センサを配設した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。
3. 前記角速度センサはダブルＴ型ジャイロセンサであり、
   前記ダブルＴ型ジャイロセンサは、基部と、前記基部の互いに対向する位置からそれぞれ延設した検出腕と、前記基部から延設し、且つ、前記検出腕に対して平行に配設した駆動腕とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の角速度検出装置。
4. 前記第１検出軸と前記第２検出軸とのなす角度は９０°±２°であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の角速度検出装置。
5. 前記振幅演算回路の後段に制御回路が接続してあり、
   前記制御回路は、前記振幅演算回路から乗算結果と複数の物理量センサの出力結果とを入力して、前記乗算結果と前記出力結果とを比較し、前記乗算結果と前記出力結果とが合致しないときに、これらの結果を合致させるオフセット調整係数または感度調整係数を前記センサ出力補正回路に出力してなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の角速度検出装置。
6. 前記センサ出力補正回路が出力した前記第１検出軸回りの角速度の検出出力ω１’および前記第２検出軸回りの角速度の検出出力ω２’を入力して、
   

   

   の演算を行い、バンク角θを求めるバンク角演算回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の角速度検出装置。
7. 前記センサ出力補正回路が出力した前記第１検出軸回りの角速度の検出出力および前記第２検出軸回りの角速度の検出出力を入力して、予め設定してあるしきい値と各検出出力とをそれぞれ比較し、または前記バンク角演算回路が演算したバンク角の出力と予め設定してあるしきい値とを比較し、それぞれの出力がしきい値より以上であれば故障と診断するセンサ故障診断回路を備えたことを特徴とする請求項６に記載の角速度検出装置。
8. 移動体に前記センサ部を配設し、前記移動体の直進方向に直交して前記第１検出軸および前記第２検出軸を配設したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の角速度検出装置。

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