JP4337008B2 - 回転角速度の測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角速度の測定方法および測定装置に関するものである。

本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。

特許文献１には、主として平面内に延びる振動子を用いた、横置き型に適した振動型ジャイロスコープを提案した。こうした用途においては、振動型ジャイロスコープは電池によって駆動されているので、できる限り消費電力を減らし、電池の寿命を長くすることが必要である。従って、車両が停止しているときには振動型ジャイロスコープを停止し、車両が発進するときに起動することが望ましい。このためには、振動型ジャイロスコープを起動してから短時間で正常な動作を開始させ、車両の位置の検出を始めることが必要不可欠である。
特開平１１−２８１３７２号公報

しかし、例えば車両を発進させたときにジャイロを起動すると、起動後に振動型ジャイロスコープの動作が安定化するまでの時間が長く、ジャイロの動作が安定化するまでの間は車両の方向および位置を確認できないことになる。このため、車両の位置制御への利用が困難となる。

このため、本出願人は、振動子に駆動振動を励振し、振動子に印加される物理量を、振動子から得られた検出信号に基づいて検出するのに際して、測定用の振動子の振動状態が安定化するまでの立ち上がり時間を短くするために、振動子の起動方法を開示した（特許文献２）。
特願２００１−２０７２６４

この起動方法は、スプリアスモードの振動モードを有する振動子に駆動振動を励振し、振動子を起動する技術として優れている。しかし、この起動回路は、スプリアスモードとは離れた周波数の加算信号を発振し、自励発振回路に加算するための発振専用発振器が必要であるので、回路の規模が大きい。また、駆動振動の発振レベルが高くなると、この発振器から発振された加算信号を、自励発振回路から切り離すためのスイッチ回路が別途必要になる。これらの理由から、起動回路の規模が大きくなり易く、回路のコストが高くなり、かつ大型化し易いという問題点があった。また、矩形波の駆動信号に対する応答性は必ずしも良好ではなかった。

本発明の課題は、矩形波の駆動信号を振動子に印加して振動子に駆動振動を励振し、回転角速度を測定するのに際して、振動子の振動状態が安定化するまでの立ち上がり時間を短くすると共に、起動に必要な回路の規模を小さくできるようにすることである。

本発明は、振動子に駆動振動を励振し、この振動子に加わる回転角速度に基づいて前記振動子から出力される検出信号に基づいて回転角速度を測定する方法および装置に関する。

そして、振動子に駆動振動を励振する自励発振回路を備えており、自励発振回路が、リングオシレータおよび電流／電圧増幅器を備えており、このリングオシレータを用いて矩形波の起動信号を振動子に与え、振動子の出力信号を電流／電圧増幅器によって増幅しつつ自励発振回路内をループさせることで駆動振動を安定発振させることを特徴とする。

本発明によれば、振動子に駆動振動を励振し、振動子に印加される物理量を、振動子から得られた検出信号に基づいて検出するのに際して、測定用の振動子の振動状態が安定化するまでの立ち上がり時間を短くできる。その上、自励発振回路に加算信号を加算するための発振専用発振器が不要である。更に、リングオシレータからの信号は、駆動信号の発振レベルが高くなると自動的に自励発振回路から切り離されるので、スイッチ回路も不要である。従って、自励発振回路の回路規模を小さくし、コストを低減し、回路寸法を縮小できる。

図１は、参考形態に係る自励発振回路９Ａを模式的に示す回路図である。振動子１には励振手段２が取り付けられており、励振手段２は自励発振回路９Ａに対して接続されており、発振ループを生成している。まず自励発振回路９Ａ内の電流／電圧増幅器（交流増幅器）３の利得（ゲイン）の大きい状態でスタートする。この時点では増幅器３への入力は雑音のみである。

振動子１は、例えば後述するような圧電性単結晶からなる。振動子１の周波数フィルター作用によって、目的とする固有共振周波数の振動を多く含む信号が矢印Ｄのように出力され、この信号Ｄが増幅器３に入力される。発振ループ内でこうした操作を繰り返すことによって、目的とする固有共振周波数の信号の割合が高くなり、増幅器３への入力信号が大きくなる。このため、増幅器３の利得を調整することによって、発振ループを信号が一周する間の利得（ループゲイン）が１となるようにする。最終的には、増幅器の利得を調整することなしに、発振ループを信号が一周する間の利得（ループゲイン）が１となる。この状態で振動子が安定発振する。

振動子の安定発振は、物理量の測定には必要不可欠である。なぜなら、振動子において発振している駆動信号の振幅が一定でないと、振動子から出力されるべき検出信号の値も一定とならず、正確な測定を行うことができないからである。

本例においては、増幅器３が、抵抗器４およびＣＲ発振回路５Ａと直列接続されている。ここで、ＣＲ発振回路５Ａの特性を、図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。ＣＲ発振回路５Ａは、コンデンサ８、交流増幅器７および抵抗器６からなる。ＣＲ発振回路５ＡのＢ地点での矩形波の入力波形が、例えば図２（ｂ）のＢに示すように山形になまっているものとする。このときＡ地点における出力波形は、図２（ｂ）のＡに示すように急峻になり、かつ振幅が増大する。

こうしたＣＲ発振回路を用いた自励発振回路は、振動子の早急な起動という点で好適である。この理由を述べる。図３（ａ）に示すように自励発振回路を用いて振動子１を励振したものとする。信号波が正弦波であるものとすると、ａ点での信号レベルは、前述したように時間の経過と共に徐々に増大し、安定（ループゲイン１）に達する。これは、正弦波を入力した場合には、増幅器３での増幅特性がリニアだからである。

これに対して、矩形波を駆動信号波として入力した場合には、図４（ａ）に示すように、時間が経過してもａ点での信号レベルがそれほど上昇しない場合がある。これは、矩形波を増幅器に入力した場合には、図４（ｂ）に示すように、増幅器の増幅特性にしきい値（下限値）があり、このために信号波の初期レベルが低いとなかなか増幅されないためである。

ここで、図１、図２に示す例によれば、ＣＲ発振回路５Ａにおいて、図２（ｂ）に示すように、矩形波を急峻化し、振幅を増大させるような効果が得られる。このＣＲ発振回路を自励発振回路９Ａ内に組み込むことによって、信号波の初期レベルが低くとも、矢印Ｃ、Ｄのように駆動信号矩形波がループする間に増幅が行われ易い。このようなＣＲ発振回路の特性を利用することで、振動子の駆動振動を早期に励振することができる。

しかも、目的周波数の駆動信号のレベルが高くなってくると、ＣＲ発振回路は、スイッチングなしに自動的に自励発振回路の発振から切り離される。

したがって、発振専用発振器やスイッチング機構を設けることなく、矩形波駆動信号を早期に振動子に励振できる点で優れている。

図５は、参考形態に係る自励発振回路９Ｂを示す回路図である。本例で使用するＣＲ発振回路５Ｂは、やはりコンデンサ８、増幅器７および抵抗器６を備えている。本例では増幅器７とコンデンサ８とが直列に接続されている。

図６は、本発明の実施形態に係る自励発振回路９Ｃを示す回路図である。本例においては、ＣＲ発振回路の代わりにリングオシレータ１０を接続した。即ち、複数個の増幅器１０ａ、１０ｂ、１０ｃを直列に接続することによってリングオシレータ１０を作製し、リングオシレータ１０をコンデンサ８と直列に接続し、抵抗器６と並列に接続する。

リングオシレータ１０の特性を図７（ａ）、（ｂ）に模式的に示す。リングオシレータ１０の手前のＢ点における矩形波は、点Ａにおいても矩形波として出力されるが、この際に矢印のように矩形波の位相が遅れる。そして、リングオシレータ１０において矩形波の位相を所定時間遅らせるようにし、このリングオシレータ１０を自励発振回路に接続する。これによって、特定周波数の信号がリングオシレータ１０において増幅される。

図８は、参考形態に係る他の自励発振回路９Ｄを示す回路図である。本例の回路は、図５の自励発振回路９Ｂとほぼ同様のものである。ただし、本例においては、回路が抵抗器４を介してアースされている。また、増幅器７に積分器１１が接続されており、コンパレータを構成している。積分器１１には基準電圧線が接続されている。積分器１１において回路内の信号の大きさを判断し、これに応じて増幅器７における利得を制御するようになっている。

本発明においては、自励発振回路は、周波数制御のための交流増幅器と、振幅制御回路（ＡＧＣ回路）とを備えている。振幅制御回路においては、振幅の変動を抑制し、一定の振幅値が出力されるようにする。

図９は、本発明で使用可能な振動子の制御回路を模式的に示すブロック図である。制御回路３１は、駆動回路３２と検出回路３３とを備えている。駆動回路３２は、振動子１の駆動振動部１ａを励振するためのものである。駆動回路３２には、自励発振回路９Ａ、９Ｂ、９Ｃまたは９Ｄと診断回路２９とが設けられている。

起動時には、自励発振回路に対して起動回路から雑音を入力する。この雑音は、振動子の駆動部１ａを通過して周波数選択を受け、次いで矢印Ｄのように自励発振回路の交流増幅器３に入力されて増幅を受ける。交流増幅器３からの出力信号の一部を取り出し、整流器に入力し、振幅の水準（大きさ）に変換する。この振幅の信号をＣＲ発振回路またはリングオシレータに入力する。自励発振回路は診断回路２９に連結されており、診断回路２９の出力はＤＩＡＧ端子を通して外部に出力される。

起動直後には、振動子１ａにおいて雑音の大部分がカットされるため、整流器からの出力が比較的小さい。このため、増幅器における利得を大きくし、発振ループを一周する間のループゲインが１になるようにする。時間が経過すると、整流器からの出力が大きくなるので、増幅器における利得を小さくし、ループゲインが１になるようにする。

駆動信号の発振状態が安定化すると、振動子の検出部１ｂ、１ｃからの信号の検出を開始する。即ち、振動子の検出部１ｂ、１ｃからの検出信号（交流）を交流増幅器２１Ａ、２１Ｂを用いて増幅し、各増幅器２１Ａ、２１Ｂからの出力を加算器２２によって加算する。

また、駆動信号の一部を派生させ、派生信号を移相器２３に通し、移相信号を得る。移相信号の位相は、漏れ信号の位相とは、所定角度、例えば９０°ずれている。この移相信号を位相検波器１４に入力し、振動子からの出力信号を検波する。この結果、検波後の出力信号においては、不要な漏れ信号は消去されており、あるいは少なくとも低減されているはずである。この検波後の出力信号をローパスフィルター１７に入力し、平滑化し、次いで０点調整回路１８に入力する。この出力を外部に取り出す。

振動子の構成は特に限定されない。振動子を構成する材質のＱ値は、３０００以上であることが好ましく、１００００以上であることが一層好ましい。振動子を構成する材質としては、エリンバー等の恒弾性合金、強誘電性単結晶（圧電性単結晶）を例示できる。こうした単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ホウ酸リチウム、ランガサイトを例示できる。

本発明においては、振動子に印加される加速度を測定する。

以下、図８、図９を参照しつつ説明したような回路を構成し、駆動実験を行った。振動子としては、特開平１１−２８１３７２号公報に記載の振動子を使用した。この振動子は、２本の駆動振動片１ａと、駆動振動片とは独立的に振動する２本の検出振動片１ｂ、１ｃとを備えている。起動回路から周波数１００〜５００ｋＨｚの雑音を発生させ、発振ループに入力し、自励発振を開始した。コンパレータの遅延時間は１．０μｓであり（５００ｋＨｚ）、出力振幅は２Ｖｐ−ｐであり、不感帯電圧幅５ｍＶである。抵抗器６の抵抗値は１０ＭΩであり、コンデンサ８の容量は１０ｐＦである（１ＭＨｚ）。駆動振動の発振が安定化するまでの時間は、約０．１６０秒であった。駆動信号の振幅は１．１Ｖであり、周波数は４４．１ｋＨｚである。

参考形態に係る自励発振回路９Ａを示す回路図である。 （ａ）は、ＣＲ発振回路５Ａを示す回路図であり、（ｂ）は、Ａ点、Ｂ点における波形を示す図である。 （ａ）は、振動子１の発振ループを説明する模式図であり、（ｂ）はａ点における信号レベルの経過変化を示す模式図である。 （ａ）は、矩形波を用いた場合のａ点の信号レベルの経時変化を示す模式図であり、（ｂ）は、交流増幅器の増幅特性を示す模式図である。 参考形態に係る自励発振回路９Ｂを示す回路図である。 本発明の実施形態に係る自励発振回路９Ｃを示す回路図である。 （ａ）は、リングオシレータ１０を示す回路図であり、（ｂ）は、Ａ点、Ｂ点における矩形波信号の変調を示す模式図である。 参考形態に係る自励発振回路９Ｄを示す回路図である。 振動子の制御回路全体を示すブロック図である。

符号の説明

１ 振動子 １ａ 振動子１の駆動振動部 ２ 励振手段 ３、７ 交流増幅器 ４，６ 抵抗器 ５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ ＣＲ発振回路 ８ コンデンサ ９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ 自励発振回路 １０ リングオシレータ １１ 積分器

Claims (2)

1. 振動子に駆動振動を励振し、この振動子に加わる回転角速度に基づいて前記振動子から出力される検出信号に基づいて回転角速度を測定する方法であって、
   前記振動子に前記駆動振動を励振する自励発振回路を備えており、この自励発振回路が、リングオシレータおよび電流／電圧増幅器を備えており、このリングオシレータを用いて矩形波の起動信号を振動子に与え、前記振動子の出力信号を前記電流／電圧増幅器によって増幅しつつ前記自励発振回路内をループさせることで前記駆動振動を安定発振させることを特徴とする、回転角速度の測定方法。
2. 振動子に駆動振動を励振し、この振動子に加わる回転角速度に基づいて前記振動子から出力される検出信号に基づいて回転角速度を測定する装置であって、
   前記振動子に前記駆動振動を励振する自励発振回路を備えており、この自励発振回路が、リングオシレータおよび電流／電圧増幅器を備えており、このリングオシレータを用いて矩形波の起動信号を振動子に与え、前記振動子の出力信号を前記電流／電圧増幅器によって増幅しつつ前記自励発振回路内をループさせることで前記駆動振動を安定発振させることを特徴とする、回転角速度の測定装置。
   

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