JP2005189083A

JP2005189083A - 自動車用角速度または自動車用角度センサ、およびそれらの故障検出方法

Info

Publication number: JP2005189083A
Application number: JP2003430386A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Magosaki; 太孫崎; Toru Kitamura; 透北村; Kenichi Shiiyama; 賢一椎山
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】ＸＹＺ直交３軸の角速度または角度を検知できる自動車用角速度または自動車用角度センサ、ならびにそれらの故障検出方法の提供
【解決手段】直交するＸ軸とＹ軸を含む水平平面とこの平面に垂直なＺ軸からなる直交３軸座標系において、下記の(a)および(b)の条件を満足する４つのジャイロから構成されることを特徴とする自動車用角速度または自動車用角度センサ。このセンサは、それぞれのジャイロで角速度ω₁、ω₂、ω₃およびω₄を測定し、ｆ値（＝ω₁−ω₂＋ω₃−ω₄）に基づいて故障の有無を判断することができる。
(a)上記４つのジャイロの測定軸と水平平面とがなす角度をθ₁、θ₂、θ₃およびθ₄（但し、いずれも90°未満）とするとき、これらの角度が相互に等しいこと
(b)上記４つのジャイロのうちの１つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度をαとするとき、他の３つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度がそれぞれ180°−α、180°＋αおよび360°−αであること
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車用角速度または自動車用角度センサ、およびそれらの故障検出方法に関する。

近年の自動車には、ビークルダイナミックスシステム（路面状態に応じて自動車を安全に走行させるシステム）、アクティブサスペンションシステム、アクティブ後輪操舵システム、ロールオーバー検出システムなど走行の安全性を高めるためのシステムが多く採用されている。これらのシステムは、車体に取り付けられた角速度センサ、加速度センサなどの測定データに基づいて自動車の動作を制御することとしている。

角速度センサとしてはジャイロが用いられる。従来、ビークルダイナミクスシステムにおいては、他のセンサ（例えば、車速センサ、ステアリングの舵角センサ等）を併用することによりフェールセーフ構築されており、角速度センサは垂直軸（Ｚ軸）周りの角速度の検知ができればよいこととされていた。このため、自動車用角速度センサとしては、１つのジャイロをその測定軸がＺ軸と平行になるように車体に設置したものが用いられてきた。

しかし、最近では、より高い精度と信頼性をもって自動車の状態を検知し、上述の車両制御システムにフィードバックすることが求められてきている。このため、垂直軸（Ｚ軸）と平行方向の角速度だけでなく、ＸＹＺ直交３軸座標系の３軸それぞれの角速度も検知できる角速度センサへの要請が強くなっている。また、角速度ではなく、角度も出力するセンサ、または角速度および角度を出力するセンサも求められている。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、ＸＹＺ直交３軸座標系の３軸それぞれの角速度および角度も検知できる自動車用角速度または自動車用角度センサ、およびその故障検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、下記（Ａ）の自動車用角速度または自動車用角度センサ、および下記（Ｂ）の故障検出方法を要旨とする。

（Ａ）直交するＸ軸とＹ軸を含む水平平面とこの平面に垂直なＺ軸からなる直交３軸座標系において、下記の(a)および(b)の条件を満足する４つのジャイロから構成されることを特徴とする自動車用角速度または自動車用角度センサ。
(a)上記４つのジャイロの測定軸と水平平面とがなす角度をθ₁、θ₂、θ₃およびθ₄（但し、θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄はいずれも90°未満）とするとき、これらの角度θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄が相互に等しいこと、
(b)上記４つのジャイロのうちの１つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度をαとするとき、他の３つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度がそれぞれ180°−α、180°＋αおよび360°−αであること。

（Ｂ）直交するＸ軸とＹ軸を含む水平平面とこの平面に垂直なＺ軸からなる直交３軸座標系において、下記の(a)および(b)の条件を満足する４つのジャイロから構成される自動車用角速度または自動車用角度センサの故障検知方法であって、それぞれのジャイロで角速度ω₁、ω₂、ω₃およびω₄を測定し、下記の(1)式から得られるｆ値に基づいて故障の有無を判断することを特徴とする自動車用角速度または自動車用角度センサの故障検知方法。
(a)上記４つのジャイロの測定軸と水平平面とがなす角度をθ₁、θ₂、θ₃およびθ₄（但し、θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄はいずれも90°未満）とするとき、これらの角度θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄が相互に等しいこと、
(b)上記４つのジャイロのうちの１つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度をαとするとき、他の３つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度がそれぞれ180°−α、180°＋αおよび360°−αであること。

ｆ＝ω₁−ω₂＋ω₃−ω₄ ・・・(1)

上記（Ａ）および（Ｂ）において、上記の角度θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄は、相互に25°〜55°の範囲で等しいことが望ましく、上記の角度αは35°〜55°の範囲内にあることが望ましい。

１．自動車用角速度または自動車用角度センサについて
自動車用角速度センサは、自動車の角速度信号を検知、出力するセンサであり、自動車用角度センサは、検知された角速度信号を積分して得られる角度を出力するセンサである。従って、これらのセンサの検知手段は共通し、その故障検知方法も共通するので、以下の説明では自動車用角速度センサについて述べる。
図１は、本発明に係る自動車用角速度センサの一例を模式的に表した斜視図であり、図２は、その上面図である。

図１および図２に示すように、本発明に係る自動車用角速度センサ１は、４つのジャイロG1、G2、G3およびG4から構成されている。そして、ＸＹＺ直交３軸座標系において、これらのジャイロG1、G2、G3およびG4は、その測定軸と水平平面（ＸＹ平面）とがなす角度をθ₁、θ₂、θ₃およびθ₄（但し、θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄はいずれも90°未満）とするとき、これらの角度θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄が相互に等しい（以下、これらの角度をθとする）。また、ジャイロG1の測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度をαとするとき、他の３つのジャイロG2、G3およびG4の測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度がそれぞれ180°−α、180°＋αおよび360°−αである。

本発明に係る自動車用角速度センサは、このような構成を有するので、Ｚ軸方向の回転の検知だけでなく、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の回転の検知もできる。

この自動車用角速度センサにおいて、各ジャイロG1、G2、G3およびG4で検出される角速度ω₁、ω₂、ω₃およびω₄は、自動車の回転運動についての角速度のＸ軸成分（ロール角速度）Ω_x、Ｙ軸成分（ピッチ角速度）Ω_yおよびＺ軸成分（ヨー角速度）Ω_z を用いて、下記の(2)〜(5)式により求められる。
ω₁＝（Ω_x cosα＋Ω_y sinα）cosθ＋Ω_z sinθ ・・・(2)
ω₂＝（−Ω_x cosα＋Ω_y sinα）cosθ＋Ω_z sinθ ・・・(3)
ω₃＝（−Ω_x cosα−Ω_y sinα）cosθ＋Ω_z sinθ ・・・(4)
ω₄＝（Ω_x cosα−Ω_y sinα）cosθ＋Ω_z sinθ ・・・(5)

従って、自動車の回転運動についての角速度のＸ軸成分Ω_x、Ｙ軸成分Ω_yおよびＺ軸成分Ω_z は、ω₁、ω₂、ω₃およびω₄を使って、下記の(6)〜(8)式のように表される。
Ω_x＝（ω₁−ω₂）／（２cosαcosθ）または（ω₄−ω₃）／（２cosαcosθ）・・・(6)
Ω_y＝（ω₂−ω₃）／（２sinαcosθ）または（ω₁−ω₄）／（２sinαcosθ）・・・(7)
Ω_z＝（ω₁＋ω₃）／（２sinθ）または（ω₂＋ω₄）／（２sinθ）・・・(8)

上記の(6)〜(8)式に示すように、Ω_x、Ω_yおよびΩ_z の解は２ずつ得られるが、通常は下記の(9)〜(11)に示す平均値を各軸方向の角速度とすればよい。
Ω_x＝（ω₁−ω₂−ω₃＋ω₄）／（４cosαcosθ）・・・(9)
Ω_y＝（ω₁＋ω₂−ω₃−ω₄）／（４sinαcosθ）・・・(10)
Ω_z＝（ω₁＋ω₂＋ω₃＋ω₄）／（４sinθ）・・・(11)

自動車用角速度センサの設置角度αは35°〜55°が望ましく、設置角度θは25°〜55°が望ましい。その理由は下記のとおりである。

図３および図４は、設置角度αおよびθと３軸それぞれの角速度誤差との関係を示す図であり、図３は、設置角度θを45°一定に保った状態で設置角度αを変化させたときの結果であり、図４は、設置角度αを45°一定に保った状態で設置角度θを変化させたときの結果である。なお、角速度誤差とは、角速度誤差の評価基準としては、通常のジャイロ単体の角速度誤差と同程度である1.2以下を良好な範囲とする。

図３に示すように、Ｚ軸方向の角速度誤差σ_Ｚは、設置角度αの値によって変動しないが、Ｙ軸方向の角速度誤差σ_Ｙは、設置角度αが35°未満では1.2を超え、Ｘ軸方向の角速度誤差σ_Ｘは、設置角度αが55°を超えると1.2を超える。また、図４に示すように、σ_Ｚは、設置角度αが25°未満で1.2を超え、σ_Ｘおよびσ_Ｙは、設置角度θが55°を超えると1.2を超える。従って、自動車用角速度センサの設置角度αは35°〜55°が望ましく、設置角度θは25°〜55°が望ましい。

なお、４つのジャイロを設置する支持台としては、図１および図２に示すような正四角錐形のものに限定されることはなく、例えば、円錐形のものであってもよい。

２．自動車用角速度または自動車用角度センサの故障検知方法
本発明の自動車用角速度センサは、例えば、図１および図２における４つのジャイロG1、G2、G3およびG4で角速度ω₁、ω₂、ω₃およびω₄を測定し、下記の(1)式から得られるｆ値に基づいて故障の有無を判断することができる。
ｆ＝ω₁−ω₂＋ω₃−ω₄ ・・・(1)

前記の(6)〜(8)式に示すように、本発明の自動車用角速度センサで検知される角速度のＸ軸成分Ω_x、Ｙ軸成分Ω_yおよびＺ軸成分Ω_zの解は２ずつ得られる。そして、各成分の２つの解は故障がない場合には実質的に同一の値となるはずである。前記の(6)〜(8)式に示すそれぞれの２つの解の差dΩ_x、dΩ_yおよびdΩ_zを求めると、下記の(12)〜(14)式のようになる。
dΩ_x＝（ω₁−ω₂＋ω₃−ω₄）／（２cosαcosθ）・・・(12)
dΩ_y＝（ω₁−ω₂＋ω₃−ω₄）／（２sinαcosθ）・・・(13)
dΩ_z＝（ω₁−ω₂＋ω₃−ω₄）／（２sinθ）・・・(14)

上記の(12)〜(14)式中のαおよびθは変動しないから、故障を検知する指標としては、各式の分子だけを残し、上記の(1)式で表すｆ値を用いることができる。そして、このｆ値が各ジャイロの許容誤差を考慮して大きすぎる場合には、故障したものと判断することができる。

なお、自動車用角速度センサとしては、３つのジャイロをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に向けて設置したものも考えられる。しかし、このような３つのジャイロから構成されるセンサでは、自動車が停止している状態か、走行中でも直線運動をしている場合を除いて故障を検知することができない。

しかし、実際には走行中、それも、蛇行やカーブを曲がっている最中にもジャイロの故障を検知する必要がある。これは、センサが走行中に故障したことをリアルタイムにシステムに出力して自動車の誤動作を防止するためである。本発明の自動車用角速度センサは、このようなときにもジャイロの故障を検知できるので、有用である。

本発明の自動車用角速度センサまたは自動車用角度センサによれば、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸およびＹ軸方向の角速度または角度を検出することができる。また、上記の(1)式で示されるｆ値を用いて、停車中や直線走行中に限らず、蛇行やカーブを曲がっているときでも、容易に故障を検知できるので、ビークルダイナミクス制御用センサに最適である。

本発明に係る自動車用角速度センサの一例を模式的に表した斜視図である。本発明に係る自動車用角速度センサの一例を模式的に表した上面図である。設置角度θを45°の一定に保った状態で設置角度αを変化させたときの設置角度αと３軸それぞれの角速度誤差との関係を示す図である。設置角度αを45°の一定に保った状態で設置角度θを変化させたときの設置角度θと３軸それぞれの角速度誤差との関係を示す図である。

Claims

直交するＸ軸とＹ軸を含む水平平面とこの平面に垂直なＺ軸からなる直交３軸座標系において、下記の(a)および(b)の条件を満足する４つのジャイロから構成されることを特徴とする自動車用角速度または自動車用角度センサ。
(a)上記４つのジャイロの測定軸と水平平面とがなす角度をθ₁、θ₂、θ₃およびθ₄（但し、θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄はいずれも90°未満）とするとき、これらの角度θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄が相互に等しいこと、
(b)上記４つのジャイロのうちの１つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度をαとするとき、他の３つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度がそれぞれ180°−α、180°＋αおよび360°−αであること。
直交するＸ軸とＹ軸を含む水平平面とこの平面に垂直なＺ軸からなる直交３軸座標系において、下記の(a)および(b)の条件を満足する４つのジャイロから構成されることを特徴とする自動車用角速度または自動車用角度センサ。
(a)上記４つのジャイロの測定軸と水平平面とがなす角度をθ₁、θ₂、θ₃およびθ₄（但し、θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄はいずれも90°未満）とするとき、これらの角度θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄が相互に25°〜55°の範囲で等しいこと、
(b)上記４つのジャイロのうちの１つのジャイロの測定軸の水平平面上における投射像とＸ軸とがなす角度をα（但し、αは35°〜55°の範囲内における角度）とするとき、他の３つのジャイロの測定軸の水平平面上における投射像とＸ軸とがなす角度がそれぞれ180°−α、180°＋αおよび360°−αであること。
直交するＸ軸とＹ軸を含む水平平面とこの平面に垂直なＺ軸からなる直交３軸座標系において、下記の(a)および(b)の条件を満足する４つのジャイロから構成される自動車用角速度または自動車用角度センサの故障検知方法であって、それぞれのジャイロで角速度ω₁、ω₂、ω₃およびω₄を測定し、下記の(1)式から得られるｆ値に基づいて故障の有無を判断することを特徴とする自動車用角速度または自動車用角度センサの故障検知方法。
(a)上記４つのジャイロの測定軸と水平平面とがなす角度をθ₁、θ₂、θ₃およびθ₄（但し、θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄はいずれも90°未満）とするとき、これらの角度θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄が相互に等しいこと、
(b)上記４つのジャイロのうちの１つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度をαとするとき、他の３つのジャイロの測定軸を水平平面に投射した投射像とＸ軸とがなす角度がそれぞれ180°−α、180°＋αおよび360°−αであること。
ｆ＝ω₁−ω₂＋ω₃−ω₄ ・・・(1)
直交するＸ軸とＹ軸を含む水平平面とこの平面に垂直なＺ軸からなる直交３軸座標系において、下記の(a)および(b)の条件を満足する４つのジャイロから構成される自動車用角速度または自動車用角度センサの故障検知方法であって、それぞれのジャイロで角速度ω₁、ω₂、ω₃およびω₄を測定し、下記の(1)式から得られるｆ値に基づいて故障の有無を判断することを特徴とする自動車用角速度または自動車用角度センサの故障検知方法。
(a)上記４つのジャイロの測定軸と水平平面とがなす角度をθ₁、θ₂、θ₃およびθ₄（但し、θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄はいずれも90°未満）とするとき、これらの角度θ₁、θ₂、θ₃およびθ₄が相互に25°〜55°の範囲で等しいこと、
(b)上記４つのジャイロのうちの１つのジャイロの測定軸の水平平面上における投射像とＸ軸とがなす角度をα（但し、αは35°〜55°の範囲内における角度）とするとき、他の３つのジャイロの測定軸の水平平面上における投射像とＸ軸とがなす角度がそれぞれ180°−α、180°＋αおよび360°−αであること。
ｆ＝ω₁−ω₂＋ω₃−ω₄ ・・・(1)