JP6539176B2

JP6539176B2 - 慣性力検出装置

Info

Publication number: JP6539176B2
Application number: JP2015192521A
Authority: JP
Inventors: 敏明中村; 和夫小埜; 都留　康隆; 康隆都留; 雅秀林
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: WO2017056664A1; JP2017067581A

Description

本発明は、加速度や角速度などの慣性力を検出する慣性力検出装置に関する。

振動式の角速度センサの起動時間を速める方法として、例えば、特許文献１または２に記載のような装置が開示されている。特許文献１では、振動子の起動期間と前記起動期間後の安定期間とを検出し、前記起動期間の時には利得を大きくし、前記安定期間の時には利得を小さくする起動補償用の増幅手段とを備えた例が示されている。特許文献２では、一次振動のレベルを検出する検出手段により検出されたレベルと前記検出素子により定まる基準電圧とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記二次振動を検出する手段の出力を調整する手段とを備えた例が示されている。

特許第４６６８４０７号特許第４４０６８６３号

近年、自動車での走行時の安全を確保するための横滑り防止装置において、圧雪路や凍結路での横滑りや旋回等で生じる角速度を早期に正確に検出すべく、センサの起動をできるだけ速くする必要性が増してきている。このような課題に対して本筆者らはさまざまな検討を進めてきた結果、起動時に振動子の振幅がオーバーシュートすることによって振幅が安定するまでに時間がかかり、結果としてセンサとして安定した値を出力するまでに時間がかかることを見出した。起動時間を早める方法として、上述した特許文献１や特許文献２などの方法が提案されてはいるが、これらの特許文献は、振幅のオーバーシュートの影響については検討がなされておらず改善の余地が残されている。

本発明は、振動振幅のオーバーシュートの発生を抑制し、起動時間を短くした慣性力検出装置を提供することにある。

振動体を第１の方向に振動させた状態で、角速度の発生により振動体が第１の方向と直交する第２の方向に変位したときその変位量を角速度として検出する慣性力検出装置において、前記第１の方向の振動振幅のゲインと応答速度とを前記振動体の共振周波数に基づいて切り替える。

振動振幅のオーバーシュートの発生を抑制し、起動時間を短くした慣性力検出装置を提供することが可能となる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例のセンサ制御回路のブロック図。角速度検出素子の周波数特性。共振判定部の一実施例を示す図。共振時の同期検波のタイムチャート。共振判定部の一実施例を示す図。本発明を適用しない場合の駆動信号を示すタイムチャート。本発明を適用した場合の駆動信号を示すタイムチャート。本発明の効果を示す角速度検出素子の振動を示すタイムチャート。

以下、本発明の実施例を図１〜図８により説明する。

図１は第１の実施例の角速度センサの制御回路のブロック図である。本実施例の角速度検出素子１０１は所定の質量を持ち所定の振動周波数（共振周波数）ｆｄで振動軸方向に振動する振動子１０２と、振動子１０２の振動方向の振動振幅および振動周波数を調整するために静電気力を働かせる固定電極（外力印加手段）１０３と、振動子１０２の振動振幅および振動周波数を静電容量の変化で検出する電極（変位検出手段）１０４および１０５と、角速度の印加で生じるコリオリ力により振動軸と直角の方向（検出軸方向）に振動子１０２に生じる変位を静電容量の変化で検出する固定電極１０６および１０７（変位検出手段）により構成される。

また、検出素子１０１と固定電極１０４の間の静電容量および検出素子１０１と固定電極１０５の間の静電容量の差分を検出することにより検出素子１０１に働く振動方向の変位を検出する容量検出器１０８と、容量検出器１０８の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１１０と、駆動信号Φ１で同期検波を行う乗算器から成る同期検波部１１２と、同期検波部１１２の出力を一定周期ごとに加算する積分器から成る駆動周波数調整部（ＡＦＣ）１１３を有す。

また、同期検波１１２の出力の絶対値を求める絶対値化部１２４と、駆動信号の目標振幅値を設定する基準値設定部１１５と、基準値から同期検波出力の絶対値の差分を求める減算器１１６と、減算器１１６の出力を一定周期ごとに加算する積分器から成る駆動振幅調整部（ＡＧＣ）１１７を有す。

また、駆動周波数調整部１１３の出力に応じた周波数の駆動クロックを出力するＶＣＯ（ボルテージ・コントロール・オシレータ）１１４と、ＶＣＯの出力に、駆動振幅調整部１１７の出力を乗算する乗算器１２１を有す。

また、同期検波部１１２の出力から、角速度検出素子１０１が共振状態にあるか否かを判定する共振判定部１２０と、駆動信号の最大値を設定する最大振幅設定部１１８と、共振判定結果に応じて駆動信号の振幅として、最大値とするか、駆動振幅調整部１１７の出力とするかを選択して出力するスイッチ１１９を有す。

また、振動子１０２と固定電極１０６の間の静電容量および振動子１０２と固定電極１０７の間の静電容量の差分を検出することで、振動子１０２に働くコリオリ力による変位を検出し、デジタル信号に変換する容量検出器１０９と、容量検出器１０９の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１１１と、ＡＤ変換器１１１から高周波のノイズを除去するローパスフィルタ１２２と、温度による特性変動を補正する補正部１２３を有す。

つぎに動作について説明する。図２に角速度検出素子１０１の振動軸方向と検出軸方向の周波数特性を示す。図２より、振動軸方向の振動振幅は共振周波数を頂点に急峻な減衰特性を示しており、共振周波数以外の周波数で駆動すると振幅は極端に小さくなり、同時に検出軸方向の振動振幅も減衰することがわかる。角速度の発生により生じる検出軸方向の変位振動の周波数は、振動軸方向の振動周波数にほぼ一致する。したがって、検出軸方向の振動振幅を大きくするためには、常に振動軸方向を共振周波数で駆動することが必要である。

以上の理由から、駆動周波数調整部１１３では、振動子１０２の駆動方向の振動が共振状態となるように駆動信号の周波数を調整する。駆動信号による角速度検出素子１０１の変位を固定電極１０４，１０５により検出し容量検出器１０８に入力する。容量検出器１０８とＡＤ変換器１１０を介して得られる振動子の変位信号に対し、同期検波部１１２で同期検波を行い、振動軸方向の振動変位を検出する。つぎに、積分器からなる駆動周波数調整部１１３において、同期検波部１１２で得られた信号を積分する。

また、補正部１２３から出力する角速度検出信号は、駆動信号の振幅に応じて感度が変化するため、駆動振幅を常に一定に保つ必要がある。そのため、駆動振幅調整部１１７で駆動振幅が常に振幅基準値設定部１１５の値を維持するように制御を行う。この駆動振幅は、電源投入後は速やかに基準振幅値に到達し、到達後は常に基準振幅値を維持するのが理想である。しかしながら、切り替えスイッチ１１９を用いずに駆動振幅調整部１１７のみで制御を行った場合、起動時間が長くなるという問題がある。

起動時間が長くなる問題について具体的に図８を用いて説明する。図８は容量検出器１０８の出力を示したものである。波形８０１は振動子１０２の振動軸方向の振動を示している。曲線８０３は波形８０１の振幅の変化を示したものである。図８より、基準振幅値に達した後、オーバーシュートが発生し駆動振幅が基準振幅値に収束するまでに時間がかかることがわかる。これにより、起動時間が長くなる。

図６は、駆動振幅調整部１１７のみで制御を行った場合の乗算器１２１から出力する駆動信号を示したものである。波形６０１は駆動信号である。曲線６０２はその振幅の変化を示したものである。図より、波形６０１の周波数が一定である共振状態になった後も最大の振幅になっている。そしてその後、急激に振幅を下げることで、図８のオーバーシュートが発生し、結果的に起動時間を長くしている。図２の角速度検出素子の周波数特性より、共振周波数近傍では振動軸方向の振動振幅が急峻に変化しており、また共振点で最大の振動振幅となることから、共振状態になった時点で最大の駆動振幅を与え続けると、基準振幅を大きく超えてしまうことが原因である。

そこで、本実施例では、共振周波数に達した時点ですぐに駆動振幅を下げるように制御した。これにより、角速度検出素子の振動軸方向の振動のオーバーシュートの発生を抑制し、その結果として起動時間を短くすることが可能となる。

図７に本実施例を適用した場合の駆動信号の波形を示す。波形７０１は駆動信号であり、曲線７０２は、駆動信号の振幅の変化を示している。周波数が一定の共振状態になった直後に駆動振幅を下げる制御を行っていることを示している。

図８の振動波形８０４は、本発明を適用した場合の一例である。図７で、共振状態になった直後に駆動振幅を下げたことで、基準振幅８０２を上回った後のオーバーシュートが軽減され、結果として基準振幅に収束するまでの時間（起動時間）が短くなっている。

図８の制御を行うための一実施例を以下説明する。図１において、共振判定部１２０にて振動子１０２が共振状態に達したことを判定する。電源投入後、共振周波数に達するまでは、スイッチ１１９の入力を“０”側とし、最大振幅を出力する。その後、共振判定部１２０で共振周波数に達したことを検出すると、スイッチ１１９の入力を“１”側とし、駆動振幅調整部１１７からの出力を選択し、常時、基準振幅値に駆動振幅を保つように制御する。すわなち、共振周波数に基づいて、スイッチ１１９で、最大振幅を出力するか、駆動振幅調整部１１７からの出力を出力するかを切り替えている。これにより、振動軸方向の振動振幅のゲインおよび応答速度を切り替えている。

次に、共振判定部の実施例を説明する。図３は、同期検波部１１２と共振判定部１２０の一実施例である。同期検波部１１２の乗算器３０１は、駆動信号と振動信号の乗算を行う乗算器３０１である。図４に同期検波のタイムチャートを示す。駆動クロックは矩形波であり、ハイレベルは“１”をローレベルは“−１”を示す。振動信号は、共振時の波形を示しており、共振状態の特徴として、駆動クロックに対して９０°の遅れがある。黒まるの箇所で振動波形をサンプリングすると同期検波出力は＋Ａと−Ａが交互に出力される。

共振判定部１２０のラッチ３０２は、同期検波出力を黒丸で示したサンプリング点の同期検波出力を保持する手段であり、例えばフリップ・フロップで構成する。加算器３０３は、同期検波出力と１サンプリング前の同期検波出力を加算する手段である。図４の共振時のしきい値設定部３０４は共振状態の判定を行うためのしきい値を保持する手段である。絶対値化部３０５は加算器３０３の出力の絶対値を求める手段である。比較部３０６は、絶対値がしきい値より大きい場合は“０”を、小さい場合は“１”を出力する。

共振時の同期検波出力は＋Ａと−Ａが交互に出力されることから、共振状態に達した後は、加算器３０３の出力は常に“０”近傍の値を出力する。したがって、しきい値設定部３０４には“０”に近い値を設定することで、共振か否かを判定することができる。

図５は、共振判定部１２０の別の実施例である。カウンタ５０１は駆動クロックの入力数を計数するカウンタである。パワーＯＮリセットでカウンタ出力を“０”にする。しきい値設定部５０２は角速度検出素子１０１が共振状態になる時間をカウント値に変換した値を設定するレジスタである。温度補正部５０３は、周囲温度に応じてしきい値を補正する手段である。上記の回路構成により、角速度検出素子１０１の共振状態へ達する時間が常に一定の場合、その時間に相当するカウント値をしきい値設定部５０２に設定しておくことで共振を判定する。共振状態に達する時間に温度依存性が有る場合、温度補正部５０３にて、しきい値を補正することで、常に共振状態に達したことを判定できる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１角速度検出素子
１０２振動子
１０３，１０４，１０５，１０６，１０７固定電極
１０８，１０９容量検出器
１１０，１１１ＡＤ変換器
１１２同期検波部
１１３駆動周波数調整部
１１４ボルテージ・コントロール・オシレータ
１１５基準値設定部
１１６減算器
１１７駆動振幅調整部
１１８最大振幅設定部
１１９スイッチ
１２０共振判定部
１２１乗算器
１２２ローパスフィルタ
１２３補正部
１２４絶対値化部
３０１乗算器
３０２ラッチ
３０３加算器
３０４しきい値設定部
３０５絶対値化部
３０６比較部
５０１カウンタ
５０２しきい値設定部
５０３温度補正部
５０４比較部

Claims

振動体を第１の方向に振動させた状態で、角速度の発生により振動体が第１の方向と直交する第２の方向に変位したとき、その変位量を角速度として検出する慣性力検出装置において、
前記第１の方向の振動振幅のゲインと応答速度とを前記振動体の共振周波数に基づいて切り替え、
電源投入後、前記第１の方向の振動周波数が共振周波数に達するまでの期間は、前記振動体を振動させる駆動信号の振幅を固定値とし、
前記振動体の振動振幅が基準値に達する前に振動周波数が前記共振周波数に達した後は、前記第１の方向の振動振幅が基準値に保持されるよう制御することを特徴とする慣性力検出装置。
振動体を第１の方向に振動させた状態で、角速度の発生により振動体が第１の方向と直交する第２の方向に変位したとき、その変位量を角速度として検出する慣性力検出装置において、
前記第１の方向の振動振幅のゲインと応答速度とを前記振動体の共振周波数に基づいて切り替え、
電源投入後、予め定められた期間は、前記振動体へ印加する駆動信号の振幅を固定値とし、
前記振動体の振動振幅が基準値に達する前に振動周波数が前記共振周波数に達した後は、前記第１の方向の振動振幅が基準値に保持されるよう制御することを特徴とする慣性力検出装置。
請求項１または２に記載の慣性力検出装置において、
前記第１の方向の振動が共振状態にある場合と共振状態にない場合とで前記第１の方向の振動の振幅制御を切り替えることを特徴とする慣性力検出装置。
請求項１または２に記載の慣性力検出装置において、
前記共振周波数に達したか否かの検出は、前記振動体へ印加する駆動信号と、前記振動体の第１の方向への振動に相当する信号との位相差が９０°であるか否かで判定することを特徴とする慣性力検出装置。
請求項２に記載の慣性力検出装置において、
電源投入後、予め定められた期間は、温度による補正を行うことを特徴とする慣性力検出装置。