JP2004294201A

JP2004294201A - 振動型角速度センサ

Info

Publication number: JP2004294201A
Application number: JP2003085275A
Authority: JP
Inventors: Takamasa Okura; 孝允大倉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】振動体を駆動するときの駆動周波数が振動体の温度特性等の影響により変動したとしても、コリオリ力成分がその影響を受けることなく角速度を検出することができるようにする。
【解決手段】Ｆ／Ｖ変換回路１５が増幅回路１３の検知信号を周波数電圧変換し、この変換された直流電圧に応じて振幅を調整する。所定の共振周波数ｆ０に対する駆動周波数ｆｚとの差に応じて振幅を調整するため、駆動周波数ｆｚが振動体２の温度特性に応じて変化したとしても、角周波数ωおよび最大振幅Ｌの積の値を略一定にする方向で調整することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動体と、この振動体の振動状態を交流信号として検知しこの検知信号を調整制御して振動体に与え振動体を駆動周波数で駆動させる駆動手段とを備え、前記振動体を駆動させ振動させることに基づいて角速度を検出する振動型角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、振動型角速度センサは、例えば車両（例えば、自動車）の旋回，横滑り等を検出するための用途に使用されている。例えば車両安定制御システムや四輪舵角制御システムでは、この振動型角速度センサにより検出される角速度信号等に基づいて車両の横滑りを検出することで、車両の異常状態を検出してブレーキを制御し車両の安定走行を可能にしている。
【０００３】
このような振動型角速度センサは振動体を備えており、この振動体を駆動させ振動させることに基づいてその振動方向と直交する方向に生じるコリオリ力の成分信号を検知することにより角速度を検出するようになっている。一般的に、物体の質量ｍのＸ軸方向の速度をｖベクトル、そのｖ方向に直交する方向をＹ軸方向とし、その両軸に直交する方向をＺ軸方向とし、このとき、Ｚ軸周りに角速度Ωが生じると、周知のように、コリオリの力Ｆｃが、
Ｆｃ＝２・ｍ・（Ω×ｖ） …（１）
としてＹ軸方向に働く（ΩはＺ軸方向のベクトル、「×」は外積を表わす）。このため、振動体をＸ軸方向に振動させＹ軸方向に生じるコリオリ力成分信号を検出することにより角速度を検出することができる。
【０００４】
さて、このようにして角速度を検出する振動型角速度センサの一例が、本願出願人により出願された特許文献１に開示されている。この角速度センサ１の概要を示す図４において、振動体２を駆動系回路３によりＸ軸方向に振動させ、Ｙ軸方向に生じるコリオリ力成分信号を検知系回路４により検知し角速度を検出するようになっているが、このとき、特許文献１に開示されている駆動系回路３では、振動体２の振動状態を交流信号として検知し振幅制御回路５によりこの検知信号の振幅を供給電圧６に応じて調整制御し、この信号を９０度移相回路７が９０度移相した後、反転増幅回路８が反転増幅し、互いに反転した信号が再度振動体２に与えられ、振動体２をＸ軸方向に駆動周波数ｆｚで駆動させ振動させている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−４４５４０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報の技術により供給電圧６に応じて調整制御された信号を振動体２に与えたとしても、振動体２の温度特性等の影響により所定の共振周波数ｆ０に対して駆動周波数ｆｚの変動が生じると、駆動周波数ｆｚの変動に起因して生じるコリオリ力成分の変動に対処できないことが確認されている。すなわち、駆動周波数ｆｚの変動に起因して生じるコリオリ力の変動成分を理論的に説明すると、Ｌを変位の最大振幅とし、ωを振動体２の振動時の角速度とし、ｔを時間として、
ｌ＝Ｌ・ｓｉｎωｔ …（２）
で振動体２のＸ軸方向の振動変位ｌを表わしたとき、（１）式に示す振動体２の速度ｖは（２）式の振動変位ｌの微分成分のため、
ｖ＝Ｌ・ω・ｃｏｓωｔ …（３）
で表わされる。この（３）式を（１）式に代入すると、Ｙ軸方向に働くコリオリ力成分Ｆｃは、
Ｆｃ＝２・ｍ・｜Ω｜・Ｌ・ω・ｃｏｓωｔ …（４）
で表わされる。したがって、コリオリ力成分は、振動体２の振動時の角速度ωに比例するように得られるが、振動体２を振動させるための駆動周波数ｆｚが変化すると、それに応じて角速度ω＝２πｆｚが変化し、コリオリ力成分が変化する。したがって、図４において、検知系回路４によりコリオリ力成分が検知されたとしても、そのコリオリ力成分は駆動周波数ｆｚに依存するため、駆動周波数ｆｚが何らかの影響により変動すると、この変動に対処することができないことが確認されている。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、振動体を駆動するときの駆動周波数が振動体の温度特性等の影響により変動したとしても、コリオリ力成分がその影響を受けることなく角速度を検出することができる振動型角速度センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明によれば、駆動手段は、振動体の振動状態を交流信号として検知し、所定の共振周波数に対する駆動周波数との差に応じて検知信号の振幅を調整して振動体に与えることにより振動体を駆動させるため、振動体は当該最大振幅Ｌで振動する。すなわち、振動体の温度特性等の影響により、駆動周波数ｆｚが所定の共振周波数ｆ０に対して増減したとしても、最大振幅Ｌを変化させることができるので、（４）式の最大振幅Ｌと角速度ωの積を略一定にする方向で調整することができ、この影響を受けることなくコリオリ力成分Ｆｃを検出することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を圧電方式の振動型角速度センサに適用した第１の実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１は、振動型角速度センサにおける振動体の構造および電気的構成を概略的に示している。尚、従来技術と同一の構成については同一符号を付している。この振動型角速度センサ１１は、ヨーレートセンサとしての用途として用いられる場合には、車両（例えば自動車）が旋回するときの角速度を検出するように用いられる。振動型角速度センサ１１は振動体２を有しているが、この振動体２は、例えばＰＺＴセラミックスによる圧電体を主として構成され、図１に示すように、一対のアーム部が対向配置されＸ軸方向に配列された状態で基端部側で連結されて音叉形状に形成されている。
【００１０】
この振動体２の一対のアーム部には、それぞれ、前面（図示表面側）にＸ軸方向の振動状態を交流信号として検知するための検知用電極２ａ，２ａや、駆動電圧を印加しＸ軸方向に振動体２を振動させるための駆動用電極２ｂ，２ｂが形成されており、側面には、Ｙ軸方向の振動状態を交流信号として検知するための検知用電極２ｃ，２ｃが形成されている。また、図示しないが、後面にはＧＮＤ電極が形成されており基準電位を得ることができる。尚、図１に示すように、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は互いに直交している。
【００１１】
駆動手段としての駆動系回路１２は、増幅回路１３と、この増幅回路１３から増幅信号が与えられる全波整流回路１４およびＦ／Ｖ変換回路（変換回路）１５と、全波整流回路１４およびＦ／Ｖ変換回路１５から信号が与えられる乗算回路１６と、基準電圧発生回路１７と、乗算回路１６および基準電圧発生回路１７から信号が与えられる差動増幅回路１８と、差動増幅回路１８および増幅回路１３から信号が与えられる乗算回路１９と、乗算回路１９の出力結果を９０度移相する９０度移相回路７と、この９０度移相回路７の出力結果を反転増幅する反転増幅回路８とから構成されている。増幅回路１３は、検知用電極２ａ，２ａから信号（検知信号）を検知して増幅し、全波整流回路１４，Ｆ／Ｖ変換回路１５および乗算回路１９に増幅信号を与えるようになっている。
【００１２】
全波整流回路１４は、増幅回路１３の増幅信号を全波整流し、この結果として直流電圧を乗算回路１６に与え、Ｆ／Ｖ変換回路１５は、増幅回路１３の増幅信号を周波数に比例するように周波数電圧変換し、この変換された直流電圧を乗算回路１６に与える。乗算回路１６は、全波整流回路１４およびＦ／Ｖ変換回路１５から与えられた直流電圧を乗算し、この結果を差動増幅回路１８の反転入力端子（−入力）に与えるようになっている。そして、差動増幅回路１８は、基準電圧発生回路１７から非反転入力端子（＋入力）に与えられた直流電圧と乗算回路１６により乗算された直流電圧を差動増幅し、この結果を乗算回路１９に与える。乗算回路１９は、増幅回路１３の増幅信号と差動増幅回路１８の増幅信号を乗算し、９０度移相回路７に与える。
【００１３】
９０度移相回路７は、乗算された結果を９０度移相し、９０度移相された信号を反転増幅回路８に与えるとともに、アーム部の基端部側の内側に形成された駆動用電極２ｂに与え、反転増幅回路８は、９０度移相回路７により移相された信号を−１倍に増幅することにより逆位相にしてアーム部の基端部側の外側の駆動用電極２ｂに与えるようになっている。したがって、反転増幅回路８により反転された電圧がそれぞれ駆動用電極２ｂ，２ｂに対して与えられるため、この駆動用電極２ｂ，２ｂには互いに逆位相の電圧が与えられる。このようにして駆動系回路１２が形成され、自励発振回路が構成されている。
【００１４】
駆動用電極２ｂ，２ｂは、振動体２の各アーム部のＺ軸方向に沿って形成されているので、駆動系回路１２により駆動電圧が駆動用電極２ｂ，２ｂに与えられると、一対のアーム部の内側がＺ軸方向に伸張するときには当該アーム部の外側がＺ軸方向に短縮し、逆に一対のアーム部の内側がＺ軸方向に短縮するときには当該アーム部の外側がＺ軸方向に伸張する。したがって、振動体２の各アーム部の先端部はＸ軸方向に振動する。
【００１５】
一方、このような駆動系回路１２によりＸ軸方向に駆動させ、振動体２が振動した状態でＺ軸周りに角速度Ωが働くと、（１）式によりコリオリ力がＹ軸方向に働く。このとき、振動体２がＹ軸方向に伸張／短縮して歪むため、振動体２の各アーム部の側面に形成された検知用電極２ｃに圧電効果により電荷が発生する。増幅部４ａは、このときの各アーム部に発生する電荷の時間変化（電流）を検知し、ｉ／ｖ変換増幅した後、このとき増幅された各アーム部に対応する電圧を差動増幅し、同期検波回路４ｂに与える。同期検波回路４ｂはコリオリ力と同位相（もしくは逆位相）成分に同期して検波し、フィルタ回路４ｃに与える。フィルタ回路４ｃは、ローパスフィルタにより形成されておりＤＣ成分をＤＣ増幅回路４ｄに与える。ＤＣ増幅回路４ｄは、この成分をＤＣ増幅し、この結果、角速度を検出するようになっている。
【００１６】
上述構成の作用について、本発明に関連する部分について中心に説明する。駆動系回路１２が駆動電圧を駆動用電極２ｂ，２ｂに印加することで、所定の共振周波数ｆ０で振動体２をＸ軸方向に振動させることができる。このとき、従来技術においては、この所望（所定）の共振周波数ｆ０で振動体２を振動させても、振動体２の温度特性の影響により駆動周波数ｆｚが共振周波数ｆ０に対して変化してしまうという問題が生じている。
【００１７】
本実施形態においては、図１の回路構成を採用することによりこの問題点を解決している。すなわち、振動体２が実際に振動するときの駆動周波数をｆｚとすると、自励発振回路が機能しているときには、増幅回路１３によりこの駆動周波数ｆｚの検知信号が増幅され、全波整流回路１４により増幅信号が整流される。また、Ｆ／Ｖ変換回路１５により増幅信号が周波数電圧変換されると、この直流電圧は駆動周波数ｆｚに比例しているので、乗算回路１６が全波整流回路１４により全波整流された直流電圧と乗算することにより駆動周波数ｆｚに依存した直流電圧が出力される。
【００１８】
差動増幅回路１８は、この直流電圧と基準電圧発生回路１７の基準電圧との差を増幅し、乗算回路１９は、この増幅信号と増幅回路１３の増幅信号とを乗算するため、増幅回路１３の増幅信号が駆動周波数ｆｚに応じた振幅に調整され、９０度移相回路７および反転増幅回路８を介して振動体２の駆動用電極２ｂ，２ｂに与えられる。このようにして、振動体２のＸ軸方向（駆動軸方向）の振動状態を交流信号として検知し、この検知信号を調整制御して振動体２に与え振動体２を駆動周波数ｆｚで駆動させて、所定の共振周波数ｆ０に対する駆動周波数ｆｚとの差に応じて振幅を調整し振動体２を駆動させている。
【００１９】
したがって、振動体２の温度特性の影響により、実際に駆動する駆動周波数ｆｚが所定の共振周波数ｆ０に対して増減したとしても、その増減分に応じて振幅が調整された状態で駆動電圧が振動体２の駆動用電極２ｂ，２ｂに与えられるので、振動体２の各アーム部のＸ軸方向の変位の最大振幅（（４）式のＬ）を変化させることができる。このとき、上述した回路構成により、駆動周波数ｆｚが変動したとしても角周波数ω（＝２πｆｚ）および最大振幅Ｌの積の値を略一定にする方向で調整することができるので、（４）式で表わされるコリオリ力成分は駆動周波数ｆｚの変動の影響を極力受けることのない状態で検知系回路４により検知され、角速度を検出することができる。
【００２０】
このような第１の実施形態によれば、Ｆ／Ｖ変換回路１５が増幅回路１３を介して検知信号を周波数電圧変換し、この変換された直流電圧に比例して振幅を調整することで所定の共振周波数ｆ０に対する駆動周波数ｆｚとの差に応じて振幅を調整でき、駆動周波数ｆｚが振動体２の温度特性等に応じて変化したとしても、角周波数ωおよび最大振幅Ｌの積の値を略一定にする方向で調整することができ、コリオリ力成分を略一定に保つことができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
図２および図３は、第２の実施形態の説明を示すもので、第１の実施形態と異なる部分は、Ｆ／Ｖ変換回路１５および乗算回路１６に代えて、利得が周波数に応じて変化する周波数領域で検知信号を増幅する増幅回路を設けたところにある。第１の実施形態と同一部分については同一符号を付してその説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
駆動手段としての駆動系回路３０は、増幅回路１３，増幅回路３１，全波整流回路１４，基準電圧発生回路１７，差動増幅回路１８，乗算回路１９および反転増幅回路８を有している。
【００２２】
増幅回路１３は、検知用電極２ａの検知信号を増幅し、乗算回路１９に与えると共に増幅回路３１に与えるように構成されている。図３は、増幅回路３１の構成の一例を示している。増幅回路３１は、その入力信号が並列接続されたコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１を介してオペアンプＯＰの反転入力端子に与えられ、オペアンプＯＰの非反転入力端子がグランドに接続されるようになっていると共に、オペアンプＯＰの出力端子から抵抗Ｒ２を介して反転入力端子にフィードバックするように構成されている。抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ、コンデンサＣ１の容量値をＣとすると、このとき、出力信号Ｖｏおよび入力信号Ｖｉの関係および電圧利得Ｇは、
【数１】

で表わされる。したがって、所定の共振周波数ｆ０近隣の周波数ｆで２πｆ×ＣＲ＞＞１となるように容量値Ｃおよび抵抗値Ｒを予め設定することで、電圧利得Ｇは角周波数ω（＝２πｆ）に略比例するようになる。この増幅回路３１の出力は全波整流回路１４に与えられ、この結果が全波整流されて差動増幅回路１８の反転入力端子に与えられる。尚、この増幅回路３１の出力信号電圧Ｖｏは入力信号電圧Ｖｉに比較して略９０度の位相ずれが生じる。
【００２３】
この場合、振動体２の温度特性等の影響により実際に駆動する駆動周波数ｆｚが所定の共振周波数ｆ０に対して増減したとしても、その増減分に応じて振幅が変化した状態で、９０度移相回路７および反転増幅回路８を介して振動体２の駆動用電極２ｂ，２ｂに駆動電圧が与えられるので、振動体２の各アーム部のＸ軸方向の変位の最大振幅（（４）式のＬ）を変化させることができる。このとき、駆動周波数ｆｚが変動したとしても角周波数ω（＝２πｆｚ）および最大振幅Ｌの積の値を略一定にする方向で調整することができるので、（４）式で表わされるコリオリ力成分は駆動周波数ｆｚの変動の影響を極力受けることのない状態で検知系回路４により検知され、角速度を検出することができる。
【００２４】
このような第２の実施形態によっても、第１の実施形態と略同様の作用効果を有する。
【００２５】
（他の実施形態）
本発明は、上述実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような変形または拡張が可能である。
振動型角速度センサ１１としては、車両が回転する角速度を検出するためのヨーレートセンサの他、横揺れ角速度を検出するためのロールレートセンサや、ピッチレートセンサにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す電気的構成図
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【図３】（ａ）増幅回路の構成例を示す図、（ｂ）位相特性図
【図４】従来例を示す図１相当図
【符号の説明】
図面中、２は振動体、１１は振動型角速度センサ、１３は増幅回路、１５はＦ／Ｖ変換回路、３０は駆動系回路（駆動手段）を示す。

Claims

振動体と、この振動体の振動状態を交流信号として検知しこの検知信号を調整制御して前記振動体に与え当該振動体を駆動周波数で駆動させる駆動手段とを備え、前記振動体を振動させることに基づいて角速度を検出する振動型角速度センサにおいて、
前記駆動手段は、所定の共振周波数に対する前記駆動周波数との差に応じて前記検知信号の振幅を調整して前記振動体に与え前記振動体を駆動させるように構成されていることを特徴とする振動型角速度センサ。