JP2011002295A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することが可能な角速度検出装置を提供すること。
【解決手段】励振振動される振動子と、前記振動子を励振振動させるための駆動信号を出力する駆動手段と、前記振動子における前記励振振動とは異なる方向の変位を検出するための検出手段と、前記検出手段により検出された変位に基づいて、前記励振振動の方向と前記検出手段により検出される変位の方向の双方に直交する方向周りの角速度を検出する角速度検出手段と、を備える角速度検出装置であって、温度を検出する温度検出手段を備え、前記駆動手段は、前記温度検出手段により検出された温度が変化するのに応じて、前記駆動信号の態様を変更することを特徴とする、角速度検出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子を励振振動させることにより振動子に生じた角速度を検出する角速度検出装置に関する。

従来、振動子を三次元直交座標系における第１の軸に沿って励振振動させ、第２の軸周りの角速度によって生じる第３の軸に沿った振動を検出することにより、第２の軸周りの角速度を算出する角速度検出装置が知られている。係る角速度検出装置は、第２の軸を鉛直軸とする向きで車両に搭載されることにより、ヨーレートセンサーとして用いられている。

このような角速度検出装置において生じる問題点の一つに、振動子が、その高次共振周波数に応じて、励振振動に対する高次振動（周波数が励振振動のｎ倍の振動）をすることが挙げられる。振動子が高次振動をすると、角速度と高次振動との関係で、上記第３の軸に沿った振動が高次成分を含んでしまう。この結果、出力する角速度信号に高次成分が重畳し、誤差が生じることになる。

これを解消することを主眼とする角速度センサについての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このセンサでは、基本波を同期検波する主同期検波回路とは別に、主同期検波回路では除去不可能な、基本波に重畳する奇数次高調波を選択的に抽出する高調波同期検波回路を設け、主同期検波回路からの主検波波形から、高調波同期検波回路が抽出した奇数次高調波検波波形を用いて残留奇数次高調波成分を減少させる信号処理を行うものとしている。

一方、装置の温度環境に応じて振動子の特性変動が生じることに鑑み、温度データに応じてバイアス補償を行なう振動ジャイロについての発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−４７１４４号公報 特開２００６−１９４７０１号公報

しかしながら、上記従来のセンサにおいては、励振周波数と振動子の高次共振周波数が同期する時間が必ず存在し、この時間帯では、振動子の高次共振による振動変位がコリオリ力による変位信号に重畳する。このため、角速度として検出した信号に誤差が重畳し、検出精度が低下する場合がある。

なお、係る不都合は、装置の温度変化に応じて生じるものである。この点、上記特許文献２に記載の振動ジャイロでは、温度データに応じてバイアス補償を行なっている。

ここで、バイアス補償データは予め試験によって計測されたものであるが、装置に与えられる角速度の大きさや振幅等の環境が変化した場合に適切な値となる保証はない。従って、振動子の高次共振による振動変位に起因した測定誤差を十分に除去できない場合がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することが可能な角速度検出装置を提供することを、主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
励振振動される振動子と、
前記振動子を励振振動させるための駆動信号を出力する駆動手段と、
前記振動子における前記励振振動とは異なる方向の変位を検出するための検出手段と、
前記検出手段により検出された変位に基づいて、前記励振振動の方向と前記検出手段により検出される変位の方向の双方に直交する方向周りの角速度を検出する角速度検出手段と、を備える角速度検出装置であって、
温度を検出する温度検出手段を備え、
前記駆動手段は、前記温度検出手段により検出された温度が変化するのに応じて、前記駆動信号の態様を変更することを特徴とする、
角速度検出装置である。

この本発明の一態様によれば、振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することができる。

本発明の一態様において、
前記駆動手段は、例えば、前記温度検出手段により検出された温度が変化するのに応じて、前記駆動信号の振幅、振幅の限界、及びバイアスの少なくとも一つを変更する手段である。

本発明によれば、振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することが可能な角速度検出装置を提供することができる。

本発明の一実施例に係る角速度検出装置１のシステム構成例である。 振動子１０が励振振動に対する高次振動をすることにより、角速度検出信号に重畳している高次振動の周波数成分が角速度信号に含まれてしまうという不都合が生じる様子を示す図である。 温度センサ４０により検出される温度の変化に応じた、駆動信号の態様変化を示す図である。 ゲインコントロール回路２４が有する構成の一例である。 昇圧回路４４が有する構成の一例である。 昇圧回路４４が有する構成の一例である。 ＰＬＬ回路２６が有するＶＣＯの入力電圧のデータを駆動波形調整回路４２に供給する場合の角速度検出装置１のシステム構成例である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

［基本構成］
図１は、本発明の一実施例に係る角速度検出装置１のシステム構成例である。図示するように、角速度検出装置１は、基本的な構成として、振動子１０と、駆動回路２０と、励振変位検出回路２２と、ゲインコントロール回路２４と、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路２６と、分周器２８と、センサ変位検出回路３０と、同期検波回路３２と、積分器３４と、を備える。

角速度検出装置１は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサとして構成される。この場合、振動子１０は、図示しない支持基板上に浮かぶように形成されており、梁構造を介して、支持基板から突出した固定部に接続されている。この梁構造は、支持基板に向かう方向にある程度の幅を有する平板構造である。

係る構造によって、振動子１０は、指示基板に向かう方向を法線とする平面上で、ある程度の自由度をもって変位することができる。

そして、振動子１０の周囲には、励振用及び振動検出用（あるＸ方向の振動検出用、及びＸ方向に直交するＹ方向の振動検出用）の複数の電極が配設されている。ここで、X方向とY方向は、上記支持基板に向かう方向を法線とする平面に含まれる。

励振用電極は、静電駆動によって振動子をあるＸ方向に振動させる。Ｘ方向の変位は、Ｘ方向の振動検出用電極によって検出され、励振変位検出回路２２に出力される。一方、Ｘ方向とＹ方向の双方に直交するＺ方向周りの角速度に起因して、コリオリ力によって生じるＹ方向の変位は、Ｙ方向の振動検出用電極によって検出され、センサ変位検出回路３０に出力される。

なお、振動子１０の形状や電極の配設位置について特段の制限はなく、如何なるものを用いても構わない。

駆動回路２０は、ゲインコントロール回路２４から入力される振幅値信号、分周器２８から入力される駆動タイミング信号、及び後述する昇圧回路４４から入力される信号に基づいて、励振用電極にＡＣ成分を有する電圧信号（駆動信号）を印加して、振動子１０を振動させる。

励振変位検出回路２２は、Ｘ方向の振動検出用電極の静電容量を電圧に変換し（Ｑ／Ｖ変換）、これを復調した励振検出信号をゲインコントロール回路２４、及びＰＬＬ回路２６に出力する。

ゲインコントロール回路２４は、振動子１０の目標変位（振幅）と、励振検出信号が示す実際の変位との比較により駆動回路２０への指示信号を生成する。より具体的には、振動子１０の目標変位と実際の変位とを一致させるためのフィードバック制御における差分要素及び積分要素のゲイン等を決定して駆動回路２０に出力する。

ＰＬＬ回路２６は、位相比較器、ローパスフィルター、ＶＣＯ等を有する。位相比較器には、励振変位検出回路２２が出力する励振検出信号と、分周器２８が出力する駆動タイミング信号が入力される。位相比較器は、これらの位相差を示す信号を、ローパスフィルターを介してＶＣＯに出力する。

分周器２８は、ＶＣＯから入力された信号を、例えば９０度位相シフトさせ、駆動タイミング信号、及びこれと同周期の検波タイミング信号を生成する。駆動タイミング信号は駆動回路２０に、検波タイミング信号は同期検波回路３２に、それぞれ出力される。

係る構成によって、振動子１０の共振点で駆動回路２０の駆動周波数をロックすることができる。

センサ変位検出回路３０は、Ｙ方向の振動検出用電極により検出された静電容量を電圧に変換し（Ｑ／Ｖ変換）、これを復調した角速度検出信号を同期検波回路３２に出力する。

同期検波回路３２は、分周器２８が生成した検波タイミング信号を基準とし、角速度検出信号のうち位相が所定範囲の信号の符号を反転させた検波信号を生成する。角速度検出信号、及び検波信号については、後述する図２を参照することができる。

積分器３４は、同期検波回路３２が生成した検波信号を平滑化し、角速度信号を外部に出力する。

係る構成によって、Ｚ方向周りの角速度により発生するＹ方向周りの振動の振れ幅に応じた角速度信号が生成され、外部に出力される。角速度検出装置１が車両に搭載される場合、例えばＺ方向が鉛直方向となるように設置され、車両のヨー方向の角速度を検出するヨーレートセンサーとして用いられる。

［問題点］
ところで、係る構成において振動子１０は、その共振周波数に応じて、励振振動に対する高次振動（周波数が励振振動のｎ倍の振動）をする場合がある。すなわち、温度変化等により励振振動の周波数や高次共振の周波数が徐々に変化し、励振振動の周波数の奇数倍と高次共振の周波数が一致すると、角速度検出信号に重畳している高次振動の周波数成分が角速度信号に含まれてしまうことになる。なお、原理的には、偶数倍の高次成分は打ち消し合ってゼロとなるため問題は生じない。

図２は、係る不都合が生じる様子を示す図である。図示するように、例えば３次の高調波信号が角速度検出信号に重畳している場合、最終的に出力される角速度信号が誤差成分を含んでしまうことになる。

［特徴的な構成及び処理］
そこで、本実施例の角速度検出装置１では、温度センサ４０、駆動波形調整回路４２、昇圧回路４４等の構成要素を有し、装置内の温度に応じて駆動回路２０による振動子１０の励振振動の態様を変更することにした。高次共振の周波数は、振動子１０の温度に起因して変化するからである。

図３は、温度センサ４０により検出される温度の変化に応じた、駆動信号の態様変化を示す図である。図示するように、常温では、励振用電極に出力する駆動信号の振幅を、クランプ電圧で上限、下限が設定されたものとする。次いで、温度が上昇すると（図における（Ａ））、駆動信号の振れ幅を小さくする。更に温度が上昇すると（図における（Ｂ））、ＤＣバイアス電圧（駆動信号におけるＤＣ成分）を大きく又は小さく変更する。更に温度が上昇して高温になると（図における（Ｃ））、クランプ電圧を大きく変更する。

このような制御によって、励振振動と、振動子１０の高次共振振動との同期による振動の発生を抑制し、角速度信号の検出精度を高く維持することができる。

すなわち、バイアス電圧を変更すると、振動子１０を含む構造体の機械的なバネ定数を変化させることができる。機械的なバネ定数を変化させると、振動子１０の高次共振の周波数が変化するため、駆動信号のＤＣバイアス電圧を変化させることにより、高次共振による振動の変位を抑制することができる。

また、駆動信号の波形が台形状となると、矩形波としての性質を有することになり、自身の周波数とは別の周波数成分を内包することになる。従って、駆動波形を調整することで、発生する別の周波数成分と高次の共振周波数との同期を防止することができる。

駆動波形調整回路４２は、温度センサ４０から入力される情報に基づいて、駆動信号の振幅を変更するための信号（励振振幅調整信号）をゲインコントロール回路２４に出力し、振幅の限界値、及びバイアスを変更するための信号（クランプ電圧調整信号、及びＤＣバイアス調整信号）を昇圧回路４４に出力する。なお、必ずしも駆動信号の振幅、振幅の限界値、及びバイアスの全部を変更する必要はなく、これらのうち一部を変更するものであってもよい。

このような制御を実現するための構成として、ゲインコントロール回路２４は、図４に示すような積分回路を有する。ゲインコントロール回路２４は、駆動波形調整回路４２から入力される駆動振幅調整信号に基づいてコンデンサの容量を変更し、励振変位情報（励振検出信号）から駆動振幅情報を生成する際のゲインを調整する。

また、昇圧回路４４は、図５に示すような構成を複数個有する。昇圧回路４４は、外部電源４４Ａ（装置内部で生成してもよい）とオペアンプ４４Ｂを接続する電力ラインの抵抗値をクランプ電圧調整信号に基づいて変更し、昇圧用の内部電源電圧を変更する。スイッチ４４Ｃは、クランプ電圧調整信号に基づいてオン／オフ制御される。

昇圧回路４４は、更に、図６に示すような構成を有する。昇圧回路４４は、ＤＣバイアス調整信号に基づいて切換え制御がされるツェナー部を有し、ツェナーの段数や端子Ｘにおける電位を変更することにより、ＤＣバイアス電圧を調整する。

以上説明した本実施例の角速度検出装置１によれば、装置内の温度に応じて駆動回路２０による振動子１０の励振振動の態様を変更するため、励振振動と、振動子１０の高次共振振動との同期による振動の発生を抑制し、角速度信号の検出精度を高く維持することができる。従って、振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、実施例で示したような振動型の角速度検出装置は、製造上、駆動共振周波数にバラツキを有し、このバラツキによって角速度検出に影響度が大きい共振モードに個体差が生じるため、ＰＬＬ回路２６が有するＶＣＯの入力電圧のデータ（駆動共振周波数に相当する）を駆動波形調整回路４２に供給するものとしてよい。

図７は、ＰＬＬ回路２６が有するＶＣＯの入力電圧のデータを駆動波形調整回路４２に供給する場合の角速度検出装置１のシステム構成例である。

駆動波形調整回路４２では、供給されたＶＣＯの入力電圧のデータに基づいて、図３で示したような駆動信号の態様変化を調整する。具体的には、異なる態様（図３では（Ａ）→（Ｂ）等）に遷移させるための温度閾値を変更したり、温度センサ４０からの温度情報とＶＣＯの入力電圧の周波数の双方を加味して駆動信号の態様変化を調整したりする。なお、ＶＣＯの入力電圧の周波数から振動子１０の温度を推定することもできる。

このように、ＶＣＯの入力電圧のデータを駆動波形調整回路４２に供給することによって、角速度の検出精度を更に高めることができる。

本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。

１ 角速度検出装置
１０ 振動子
２０ 駆動回路
２２ 励振変位検出回路
２４ ゲインコントロール回路
２６ ＰＬＬ回路
２８ 分周器
３０ センサ変位検出回路
３２ 同期検波回路
３４ 積分器
４０ 温度センサ
４２ 駆動波形調整回路
４４ 昇圧回路
４４Ａ 外部電源
４４Ｂ オペアンプ
４４Ｃ スイッチ

Claims (2)

1. 励振振動される振動子と、
   前記振動子を励振振動させるための駆動信号を出力する駆動手段と、
   前記振動子における前記励振振動とは異なる方向の変位を検出するための検出手段と、
   前記検出手段により検出された変位に基づいて、前記励振振動の方向と前記検出手段により検出される変位の方向の双方に直交する方向周りの角速度を検出する角速度検出手段と、を備える角速度検出装置であって、
   温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記駆動手段は、前記温度検出手段により検出された温度が変化するのに応じて、前記駆動信号の態様を変更することを特徴とする、
   角速度検出装置。
2. 前記駆動手段は、前記温度検出手段により検出された温度が変化するのに応じて、前記駆動信号の振幅、振幅の限界値、及びバイアスの少なくとも一つを変更する手段である、
   請求項１に記載の角速度検出装置。

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