JP2005207974A - Compound sensor for detecting angular velocity and acceleration - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に車両の車体制御装置の中で、車体の挙動を検知するために用いられる角速度および加速度検出用複合センサに関するものである。 The present invention relates to a composite sensor for detecting angular velocity and acceleration used for detecting the behavior of a vehicle body, particularly in a vehicle body control device for a vehicle.
従来のこの種の角速度および加速度検出用複合センサは、図14、図15に示すような構成を有していた。 This type of conventional composite sensor for detecting angular velocity and acceleration has a configuration as shown in FIGS.
図14は従来の2つの加速度検出手段を用いた角速度および加速度検出用複合センサの斜視図、図15は同角速度および加速度検出用複合センサの断面図である。 FIG. 14 is a perspective view of a composite sensor for detecting angular velocity and acceleration using two conventional acceleration detecting means, and FIG. 15 is a cross-sectional view of the composite sensor for detecting angular velocity and acceleration.
図14、図15において、1は略長方形状の基板で、この基板1上に角速度・加速度複合センサの回転中心を設けている。2は第1の加速度検出手段で、この第1の加速度検出手段2は、前記基板1の上面に立設されるもので、図15に示すように、一方の面に第1の出力電極3を設け、かつ他方の面に導電層4を設けた第1のセラミック部材5により構成されている。また、前記第1の加速度検出手段2は、第2のセラミック部材6を設けており、この第2のセラミック部材6は一面が前記導電層4に固着されるとともに、他面に第2の出力電極7を設けている。そしてまた、前記第1の加速度検出手段2の上部には図14に示すように、重り部材8を設けており、この重り部材8は第1の出力電極3、第1のセラミック部材5、導電層4、第2のセラミック部材6および第2の出力電極7の上面に固着されている。9は第2の加速度検出手段で、この第2の加速度検出手段9は前記基板1の上面に第1の加速度検出手段2と略平行に立設されており、前記第1の加速度検出手段2と同様に、第1の出力電極3、導電層4、第1のセラミック部材5、第2のセラミック部材6、第2の出力電極7および重り部材8とにより構成されている。
14 and 15,
以上のように構成された従来の角速度および加速度検出用複合センサについて、次にその動作を説明する。 Next, the operation of the conventional composite sensor for detecting angular velocity and acceleration configured as described above will be described.
角速度および加速度検出用複合センサの回転中心を基板1のX線状の第1の加速度検出手段2の中心から−X方向に15mmの位置に設定し、この状態で、第1の加速度検出手段2および第2の加速度検出手段9に図14および図15で示すY方向の外力が作用し、第1の加速度検出手段2および第2の加速度検出手段9における第1のセラミック部材5および第2のセラミック部材6がY方向に屈曲すると、各々の第1の出力電極3が伸びるとともに第2の出力電極7が縮むことになり、各々のセラミック部材の圧電特性により、第1の出力電極3と第2の出力電極7との間に出力電圧が得られる。この場合、第2の加速度検出手段9の方が第1の加速度検出手段2よりも、回転中心から遠い位置にあるため、Y方向へ屈曲する量が大きくなり、第1の出力電極3と第2の出力電極7との間に生じる出力電圧が大となるもので、前記第1の加速度検出手段2と第2の加速度検出手段9からの出力電圧の差を演算することにより、角速度および加速度検出用複合センサに加わっている角速度を検出するものであった。
The rotation center of the composite sensor for detecting angular velocity and acceleration is set to a position of 15 mm in the −X direction from the center of the X-ray-like first acceleration detecting means 2 of the
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
しかしながら上記従来の構成においては、回転中心が図14で示すところのX軸上のしかも1点に存在していることを前提に角速度を検出しているため、例えば、自動車に加わる角速度のように、回転の中心が変動し、しかも基板1と平行なXY平面上のどこかに存在する場合には、角速度を検出することができないという課題を有していた。
However, in the above conventional configuration, the angular velocity is detected on the assumption that the center of rotation is on the X axis as shown in FIG. 14 and at one point. For example, the angular velocity applied to the automobile is as follows. When the center of rotation fluctuates and exists somewhere on the XY plane parallel to the
本発明は上記従来の課題を解決するもので、回転中心が基板と平行なXY平面上のどこにあっても正確に角速度を検出できる角速度および加速度検出用複合センサを提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a composite sensor for detecting angular velocity and acceleration that can accurately detect the angular velocity wherever the center of rotation is on the XY plane parallel to the substrate. It is.
上記目的を達成するために本発明は以下の構成を有するものである。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
本発明の請求項1に記載の発明は、特に、少なくとも3つの加速度検出手段と、この3つの加速度検出手段からの出力信号を処理して加速度を検出するとともに、3つの加速度検出手段からの出力信号を演算することにより角速度を求める処理回路とを備えたもので、この構成によれば、3つの加速度検出手段からの出力信号を処理する処理回路による演算処理によって、各々の加速度検出手段から検出された加速度を、遠心加速度と角速度とに分離することにより、角速度の回転中心および各々の加速度検出手段における回転半径を演算した上で角速度を演算するようにしているため、回転中心が基板と平行な平面上のどこにあるかわからない場合でも正確に角速度を検出できるという作用効果を有するものである。
The invention according to
本発明の請求項2に記載の発明は、特に、回路基板の上面に設けられる第1の加速度検出手段と第2の加速度検出手段および第3の加速度検出手段が互いに同一直線上に位置しないようにしたもので、この構成によれば、第1の加速度検出手段と第2の加速度検出手段および第3の加速度検出手段から互いに方向が異なる加速度出力信号が検出されるため、角速度の回転中心を求めることが可能となり、これにより、回転中心が回路基板と平行な平面上のどこにあっても角速度を求めることができるという作用効果を有するものである。 According to the second aspect of the present invention, in particular, the first acceleration detecting means, the second acceleration detecting means, and the third acceleration detecting means provided on the upper surface of the circuit board are not positioned on the same straight line. According to this configuration, since the acceleration output signals having different directions are detected from the first acceleration detecting means, the second acceleration detecting means, and the third acceleration detecting means, the rotation center of the angular velocity is determined. Thus, the angular velocity can be obtained regardless of where the center of rotation is on a plane parallel to the circuit board.
本発明の請求項3に記載の発明は、特に、第1の加速度検出手段、第2の加速度検出手段および第3の加速度検出手段の各々を回路基板と平行な2軸方向の加速度を検出する加速度検出手段で構成したもので、この構成によれば、各々の加速度検出手段から検出される加速度出力ベクトルをX軸成分およびY軸成分で分離して角速度の演算をすることが可能となるため、加速度検出手段に加わる加速度のベクトル方向がどの方向であっても、角速度を検出することができるという作用効果を有するものである。
In the invention according to
本発明の請求項4に記載の発明は、特に、少なくとも3つの加速度検出手段の出力信号により角速度および加速度検出用複合センサに作用する角速度の回転中心を演算する演算処理回路を設けたもので、この構成によれば、演算処理回路によりフィードバック演算を行うことによって、各々の加速度出力を遠心加速度と、遠心加速度以外の加速度とに分離することが可能となるため、角速度および加速度検出用複合センサの回転中心を求めることができるという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 4 of the present invention is particularly provided with an arithmetic processing circuit for calculating the angular velocity and the rotation center of the angular velocity acting on the acceleration detecting composite sensor by the output signals of at least three acceleration detecting means. According to this configuration, each of the acceleration outputs can be separated into the centrifugal acceleration and the acceleration other than the centrifugal acceleration by performing the feedback calculation by the arithmetic processing circuit. This has the effect of being able to determine the center of rotation.
本発明の請求項5に記載の発明は、特に、角速度検出手段と、少なくとも3つの加速度検出手段とを備えたもので、この構成によれば、各々の加速度検出手段から検出される加速度信号から演算処理によって求めた角速度と、角速度検出手段から検出される角速度出力信号とを比較することにより、各々の加速度検出手段および角速度検出手段の故障診断を行うことができるという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 5 of the present invention particularly comprises an angular velocity detecting means and at least three acceleration detecting means. According to this configuration, the acceleration signal detected from each acceleration detecting means is used. By comparing the angular velocity obtained by the arithmetic processing with the angular velocity output signal detected from the angular velocity detecting means, there is an effect that failure diagnosis of each acceleration detecting means and angular velocity detecting means can be performed. .
本発明の請求項6に記載の発明は、特に、角速度検出手段と、少なくとも3つの加速度検出手段とを同一平面上に設けて、前記角速度検出手段から検出される角速度の検出軸と、少なくとも3つの加速度検出手段から検出される各々の加速度出力から演算処理によって求めた角速度の検出軸とが同軸となるように構成したもので、この構成によれば、角速度検出手段および少なくとも3つの加速度検出手段の故障診断を行う際の角速度の検出精度を高めることができるという作用効果を有するものである。 According to the sixth aspect of the present invention, in particular, the angular velocity detection means and the at least three acceleration detection means are provided on the same plane, the angular velocity detection axis detected from the angular velocity detection means, and at least three. The angular velocity detection axis obtained by calculation processing from the respective acceleration outputs detected by the two acceleration detection means is coaxial, and according to this configuration, the angular velocity detection means and at least three acceleration detection means This has the effect of improving the angular velocity detection accuracy when performing the fault diagnosis.
以上のように本発明の角速度および加速度検出用複合センサは、少なくとも3つの加速度検出手段と、この3つの加速度検出手段からの出力信号を処理して加速度を検出するとともに、3つの加速度検出手段からの出力信号を演算することにより角速度を求める処理回路とを備えたもので、この処理回路による演算処理によって、各々の加速度検出手段から検出された加速度を、遠心加速度と角速度とに分離することにより、角速度の回転中心および各々の加速度検出手段における回転半径を演算した上で角速度を演算するようにしているため、回転中心が基板と平行な平面上のどこにあるかわからない場合でも正確に角速度を検出できるという効果を奏するものである。 As described above, the angular velocity and acceleration detection composite sensor of the present invention detects at least three acceleration detection means and the output signals from the three acceleration detection means to detect acceleration, and from the three acceleration detection means. And a processing circuit that obtains an angular velocity by calculating the output signal of the output signal. By the arithmetic processing by this processing circuit, the acceleration detected from each acceleration detecting means is separated into centrifugal acceleration and angular velocity. Since the angular velocity is calculated after calculating the rotational center of the angular velocity and the rotation radius of each acceleration detection means, the angular velocity can be accurately detected even if it is unknown where the rotational center is on a plane parallel to the substrate. It has the effect of being able to do it.
(実施の形態1)
以下、実施の形態1を用いて、本発明の特に請求項1〜4に記載の発明について説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the invention described in the first to fourth aspects of the present invention will be described using the first embodiment.
図1は本発明の実施の形態1における角速度および加速度検出用複合センサの分解斜視図、図2は同角速度および加速度検出用複合センサにおける加速度検出手段の側断面図、図3は同角速度および加速度検出用複合センサにおける加速度検出手段の固定電極の上面図である。
1 is an exploded perspective view of a composite sensor for detecting angular velocity and acceleration according to
図1〜図3において、21は第1の加速度検出手段、22は第2の加速度検出手段、23は第3の加速度検出手段で、これらの加速度検出手段21〜23は図2に示すように、可撓基板24、作用体25、台座26および支持基板27から構成されており、作用体25および支持基板27は、互いに平行な位置に所定間隔をおいて配置されている。可撓基板24の上部には、可撓部28が可撓性を持つようにするための孔29が形成されており、可撓基板24の作用部30の下面と、作用体25の上面は接合されている。台座26は、作用体25の周囲を取り囲むように間隔をとって設けられており、かつこの台座26の上面は可撓基板24の固定部31の下面に接合されており、また台座26の下面は支持基板27の上面に接合されている。そして、加速度の作用を検出するための電極として、作用体25の下面には、変位電極32が形成されており、またこの作用体25に対向する支持基板27の上面には、図3に示すような第1のX方向加速度検出固定電極33、第1のY方向加速度検出固定電極34、第2のX方向加速度検出固定電極35、第2のY方向加速度検出固定電極36およびZ方向加速度検出固定電極37が形成されており、さらに支持基板27の端部には、ボンディングパッド38が形成されており、そしてこのボンディングパッド38は、第1のX方向加速度検出固定電極33、第1のY方向加速度検出固定電極34、第2のX方向加速度検出固定電極35、第2のY方向加速度検出固定電極36およびZ方向加速度検出固定電極37と電気的に接続されている。
1 to 3, 21 is a first acceleration detecting means, 22 is a second acceleration detecting means, 23 is a third acceleration detecting means, and these acceleration detecting means 21 to 23 are as shown in FIG. The
このような構造の加速度検出手段を3つ準備し、回路基板39の上面に第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23を設けるとともに、回路基板39の上面には電子部品からなる処理回路40を設けて、この処理回路40を第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23と電気的に接続している。また、回路基板39の上面から下面にわたって、加速度出力信号を処理回路40でA/D変換したデジタル出力を電気的に取り出すためのデジタル出力中継端子挿通孔41と、電源(図示せず)と処理回路40とを電気的に接続するための電源中継端子挿通孔42と、GND(図示せず)と処理回路40とを電気的に接続するためのGND中継端子挿通孔43とが設けられている。44は金属製のシールドケースで、収納部45と、この収納部45における開口部46を閉塞するための付勢手段47が設けられた蓋48とにより構成されている。また、シールドケース44の収納部45に第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22、第3の加速度検出手段23および処理回路40を設けた回路基板39を収納するとともに、デジタル出力中継端子49と、電源中継端子50と、GND中継端子51とを内部から外部に貫通するように設けている。そして、シールドケース44におけるデジタル出力中継端子49の一端を回路基板39に設けたデジタル出力中継端子挿通孔41に電気的に接続するとともに、電源中継端子50の一端を回路基板39に設けた電源中継端子挿通孔42に電気的に接続し、さらにGND中継端子51の一端を回路基板39に設けたGND中継端子挿通孔43に電気的に接続している。
Three acceleration detection means having such a structure are prepared, and the first acceleration detection means 21, the second acceleration detection means 22, and the third acceleration detection means 23 are provided on the upper surface of the
52は有底筒状の樹脂製の保護ケースで、収納部53と、この収納部53における開口部54を閉塞するための樹脂製の保護蓋55と、側面から外方へ突出するように設けたコネクタ部56と、取り付け部57とにより構成されている。そして前記コネクタ部56の内側にはデジタル出力コネクタ端子58、電源コネクタ端子59およびGNDコネクタ端子60の一端を設けるとともに、これらの他端は保護ケース52内で、前記第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23と電気的に接続している。
52 is a bottomed cylindrical protective case made of resin, provided with a
以上のように構成された本発明の実施の形態1における角速度および加速度検出用複合センサについて、次にその組立方法について図面を参照しながら説明する。
Next, the assembly method for the angular velocity and acceleration detection composite sensor according to
図4は本発明の実施の形態1で用いた加速度検出手段の製造方法の一工程を示す側断面図である。
FIG. 4 is a side sectional view showing one step of the method of manufacturing the acceleration detecting means used in
まず、3枚の半導体基板を準備し、図4(a)に示すように、第1の基板62により可撓基板24を形成し、図4(b)に示すように、第2の基板63により作用体25および台座26を形成し、さらに図4(c)に示すように、第3の基板64により支持基板27を形成する。第1の基板62の下面に、機械切断あるいは化学的エッチングにより孔29を形成することにより、可撓部28が形成される。
First, three semiconductor substrates are prepared, the
次に、第2の基板63の上面に浅い溝65を形成し、その周囲に深い溝66を形成する。また、第2の基板63の下面には、正方形の領域に浅い溝67を形成し、その周囲に深い溝68を形成し、かつ前記浅い溝67を形成した場所に変位電極32を形成する。
Next, a
次に、第3の基板64の上面に第1のX方向加速度検出固定電極33、第1のY方向加速度検出固定電極34、第2のX方向加速度検出固定電極35、第2のY方向加速度検出固定電極36およびZ方向加速度検出固定電極37を形成する。
Next, the first X-direction acceleration detection fixed
また、第3の基板64により形成される支持基板27を図1の回路基板39とすることが可能であるため、この第3の基板64の上面および下面に、加速度出力の信号処理に必要な配線(図示せず)を予め形成しておく。
Further, since the
次に、第1の基板62の下面に第2の基板63の上面を接合し、ダイシングブレードあるいは化学的エッチングにより図4の矢印Aで示す位置にスリットを入れて、第2の基板63を作用体25と、台座26とに分離させる。
Next, the upper surface of the second substrate 63 is bonded to the lower surface of the
次に、第3の基板64の上面を第2の基板63の下面に接合し、変位電極32に対して必要な配線を行う。そして、ダイシングブレードあるいは化学的エッチングにより図4の矢印Bで示す位置で溝68の底部に達するようにスリットを入れて、第1の基板62および第2の基板63の不要な部分を除去し、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23を回路基板39の上面に同時に形成する。
Next, the upper surface of the
次に、回路基板39の上面に処理回路40を固着し、回路基板39と処理回路40を電気的に接続し、また、回路基板39の上面から下面にわたってデジタル出力端子挿通孔41、電源中継端子挿通孔42およびGND中継端子挿通孔43を形成する。
Next, the
次に、シールドケース44の収納部45における内底面から外底面にわたって、上方および下方に突出するように、デジタル出力中継端子49、電源中継端子50およびGND中継端子51を挿通した後、デジタル出力中継端子49、電源中継端子50およびGND中継端子51の一端を回路基板39におけるデジタル出力端子挿通孔41、電源中継端子挿通孔42およびGND中継端子挿通孔43に挿通するように、回路基板39をシールドケース44の収納部45に収納する。
Next, after inserting the digital
次に、薄板からなる蓋48の周囲に切込みを入れるとともに折り曲げて、弾性突起からなる付勢手段47を形成した後、蓋48の4片を折り曲げる。
Next, a notch is formed around the
次に、シールドケース44の開口部46を蓋48で覆い、蓋48の垂直部分に設けた付勢手段47により、シールドケース44における開口部46に蓋48を弾着する。
Next, the
次に、保護ケース52における貫通孔(図示せず)に、上方より、シールドケース44におけるデジタル出力中継端子49、電源中継端子50およびGND中継端子51における他端を挿通するとともに、保護ケース52の収納部53にシールドケース44を収納する。
Next, the other end of the digital
次に、デジタル出力コネクタ端子58にデジタル出力中継端子49を、電源コネクタ端子59に電源中継端子50を、GNDコネクタ端子60にGND中継端子51を各々接続した後、保護ケース52の下面から半田付けする。
Next, after connecting the digital
最後に、保護ケース52における開口部54を保護蓋55により閉塞する。
Finally, the
以上のように構成され、かつ組立てられた本発明の実施の形態1における角速度および加速度検出用複合センサについて、次に、その動作について図面を参照しながら説明する。
Next, the operation of the composite sensor for detecting angular velocity and acceleration according to
図5は本発明の実施の形態1において車体が円運動をしているときに車体に設けた角速度および加速度検出用複合センサに角速度および加速度が作用している状態を示す模式図、図6は同角速度および加速度検出用複合センサを用いて角速度、回転中心および回転半径を演算する手法を示したフローチャート、図7は同角速度および加速度検出用複合センサの角速度演算において3つの加速度検出手段に作用する加速度ベクトルに仮想ベクトルを合成した状態を示す模式図、図8は同角速度および加速度検出用複合センサの3つの加速度検出手段に作用する遠心加速度ベクトルと合成ベクトルとが一致した状態を示す模式図、図9は同角速度および加速度検出用複合センサを用いて角速度、回転中心および回転半径を演算する構成を示すブロック図である。 FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in which the angular velocity and acceleration are applied to the angular velocity and acceleration detecting composite sensor provided on the vehicle body when the vehicle body is in a circular motion in the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a flowchart showing a method for calculating the angular velocity, the center of rotation, and the radius of rotation using the composite sensor for detecting angular velocity and acceleration, and FIG. 7 acts on three acceleration detecting means in the angular velocity calculation of the composite sensor for detecting angular velocity and acceleration. FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a state in which a virtual vector is combined with an acceleration vector, and FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a state in which a combined acceleration vector and a centrifugal acceleration vector acting on the three acceleration detection means of the composite sensor for detecting angular velocity and acceleration are matched. FIG. 9 is a block diagram showing a configuration for calculating the angular velocity, the rotation center, and the rotation radius using the same angular velocity and acceleration detection composite sensor. A click view.
加速度検出手段に加速度が作用したとき、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23における作用体25に外力が作用し、この外力が可撓基板24に対してモーメント力を生じさせることにより可撓基板24に撓みが生じ、変位電極32と第1のX方向加速度検出固定電極33、第1のY方向加速度検出固定電極34、第2のX方向加速度検出固定電極35、第2のY方向加速度検出固定電極36およびZ方向加速度検出固定電極37との間隔が変化する。このときの容量素子の静電容量Cは、電極面積をS、電極間隔をd、誘電率をεとすると、C=ε×S/dで定まり、変化の度合いに基づいて作用した力の大きさを認識することができ、また、各静電容量の変化のパターンに基づいて作用した力の方向を認識することができる。図3に示すようにX軸、Y軸およびZ軸の各軸を定めたとき、X軸方向の加速度の検出は第1のX方向加速度検出固定電極33および第2のX方向加速度検出固定電極35と変位電極32との間の静電容量変化に基づき行われ、かつY軸方向の加速度の検出は第1のY方向加速度検出固定電極34および第2のY方向加速度検出固定電極36と変位電極32との間の静電容量変化に基づき行われる。また、Z軸方向の加速度はZ方向加速度検出固定電極37と変位電極32との間の静電容量変化に基づき、そして、この各軸に対する静電容量変化をC/V変換あるいはC/f変換して得た出力を増幅することにより、各軸に対する加速度を検出することができる。
When acceleration acts on the acceleration detection means, an external force acts on the
上記のように加速度を検出する第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23を図5のように自動車の車体69の床面に平行な面上に、互いに同一直線上にならないように所定間隔を隔てて配置する。この車体69が角速度ωで円運動している状態を考えたとき、各々の第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23に作用する加速度は、車体69の円運動によって生じる遠心加速度と、車体69の前後方向の加速度との和であると考えられる。このとき、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23は車体69に固定されているため、各々の加速度検出手段に作用する前後方向の加速度は全て等しくなる。このときの第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23に作用する加速度出力ベクトルは(数1)のように表される。
As described above, the first
この第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23に作用する加速度出力ベクトルは、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23を車体69の床面に平行な面上に、互いに同一直線上にならないよう所定間隔を隔てて配置することにより、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23における回転半径に差が生じるとともに、作用する遠心加速度も差が生じるために、互いに異なったベクトルが出力される。さらに、加速度検出手段に作用する遠心加速度ベクトルの傾きで、この遠心加速度ベクトルの始点を通るような直線は全て回転中心の一点で交わるということを利用すれば、フィードバック演算を用いることにより加速度出力ベクトルを遠心加速度ベクトルと、遠心加速度以外の加速度ベクトルとに分離することが可能となる。そして、遠心加速度ベクトルが求められたことにより、回転中心の位置および各々の加速度検出手段における回転半径が求められ、その結果、角速度が求められることとなる。図6は3つの加速度検出手段からの加速度出力を用いて角速度を演算する方法を説明するフローチャートであり、以下、この角速度の演算方法について説明する。
The acceleration output vectors acting on the first
まず、図6に示すようにステップ70で、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23から検出される加速度出力ベクトルを読み込む。このとき、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23から検出される加速度出力ベクトルは、X軸成分およびY軸成分の加速度の大きさで読み込まれるため、演算を行うときのX軸およびY軸の座標軸を予め設定しておく必要がある。この座標軸は、車体69の床面に平行な面上であればどのように決定しても良いが、例えば図7のようにX軸を第1の加速度検出手段21から第2の加速度検出手段22へ向かう方向とし、X軸に対して垂直となるY軸を第1の加速度検出手段21と第2の加速度検出手段22を結ぶ直線から第3の加速度検出手段23がある方向に決定する。そして、角速度および加速度検出用複合センサは、このように決定したX軸およびY軸に各々の2軸検出可能な第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23の検出軸を合わせるように車体69に取り付ける。
First, as shown in FIG. 6, in
次に、ステップ71では仮想ベクトルを決定する。この仮想ベクトルは、各々の加速度検出手段から読み込まれた加速度出力ベクトルに含まれる遠心加速度以外の加速度ベクトルを推定するための演算において仮想的に決定されるベクトルである。
Next, in
次に、ステップ72では、ステップ70で読み込んだ各々の加速度出力ベクトルと、ステップ71で決定された仮想ベクトルとを合成する演算を行う。この合成ベクトルは(数2)のように表される。この加速度出力ベクトルと、仮想ベクトルとを合成した状態を示す模式図が図7である。
Next, in
次に、ステップ73では、図7に示すようにステップ71で演算した合成ベクトルの傾きを持ち、この合成ベクトルの始点を通るような直線を3つ求める。この直線の方程数は(数3)のように表される。
Next, in
この3つの直線は、車体69に遠心加速度以外の加速度が作用している場合は、各々の加速度検出手段に作用する加速度出力ベクトルの方向が互いに一致しないため、この3つの直線は互いに平行となることがなく、図7のように3つの交点で交わる。この3つの交点の座標は、(数3)によって演算される3つの直線の方程数の連立方程数によって演算する。ただし、例外として2つの加速度検出手段と、回転中心とが同一直線上に並ぶときには、この3つの直線は2点で交わり、交点は2つとなる。そして、3つの交点を頂点とするような三角形の面積および外周を演算する。この3つの交点を頂点とするような三角形の面積および外周は(数4)、(数5)のように表せる。
These three straight lines are parallel to each other because the directions of acceleration output vectors acting on the respective acceleration detecting means do not coincide with each other when acceleration other than centrifugal acceleration is applied to the
次に、ステップ74では、ステップ73で求めた三角形の面積と閾値ε1との比較および外周と閾値ε2との比較を行い、三角形の面積および外周が閾値以下であるかどうかの判定を行う。三角形の面積および外周がどちらも0となったときは、(数3)で求められる3つの直線が図8のように回転中心の一点で交わったときであり、かつ合成ベクトルが遠心加速度ベクトルに等しくなったときであり、また、遠心加速度以外の加速度ベクトルと、仮想ベクトルの逆ベクトルとが等しいときである。このときの遠心加速度ベクトルおよび遠心加速度ベクトル以外の加速度ベクトルは(数6)のように表せる。
Next, in
この結果、各々の加速度出力ベクトルを遠心加速度ベクトルと、遠心加速度以外の加速度ベクトルとに分離することが可能となる。 As a result, each acceleration output vector can be separated into a centrifugal acceleration vector and an acceleration vector other than the centrifugal acceleration.
実際に車体69に第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23を設けたときに、三角形の面積および外周が0になったかどうかを判定する場合には、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23から検出される加速度出力ベクトルの誤差を考慮する必要があるため、十分に小さい閾値ε1、ε2を決めておいて、三角形の面積および外周と、この閾値ε1、ε2とを比較する。三角形の面積が閾値ε1よりも小さく、かつ三角形の外周が閾値ε2よりも小さい条件を満たしたときには次のステップ75に移行する。また、この条件を満たさないときにはステップ71に戻って、ステップ71での仮想ベクトルを決定する際に三角形の面積および外周が減少するように仮想ベクトルのX軸成分およびY軸成分を増減させる。そして、同様にステップ72〜74までの演算を行い、ステップ74での条件を満たすまでこの加速度分離演算を繰り返す。
When determining whether or not the area of the triangle and the outer circumference become 0 when the first acceleration detection means 21, the second acceleration detection means 22 and the third acceleration detection means 23 are actually provided in the
次に、ステップ75では回転中心の座標の演算を行う。ステップ74の条件を満たしたときは(数3)の3つの直線が一点で交わったときであり、即ち3つの交点の座標が回転中心と等しくなったときであるので、3つの交点の座標を演算することにより回転中心の座標が求められる。
Next, in
次に、ステップ76では各々の加速度検出手段における回転半径の演算を行う。ここでは、ステップ75で求めた回転中心の座標と、各々の加速度検出手段の座標とを用いて、(数7)により各々の加速度検出手段における回転半径を演算する。また、角速度および加速度検出用複合センサとして出力する回転半径は、車体69の重心位置での回転半径を演算したものを用いればよい。
Next, in
最後に、ステップ77では角速度の演算を行う。角速度は各々の加速度検出手段における遠心加速度と、ステップ76で求めた各々の加速度検出手段における回転半径とを用いて、(数8)により演算することにより求められる。
Finally, in
以上のステップ70〜77までの演算手法を用いることにより、3つの加速度検出手段の加速度出力から回転中心、回転半径および角速度を求めることができる。
By using the calculation method from the
次に、上記の演算処理方法を用いて第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23から回転中心、回転半径および角速度を求める構成を図9のブロック図で示す。 Next, the configuration in which the rotation center, the rotation radius, and the angular velocity are obtained from the first acceleration detection means 21, the second acceleration detection means 22, and the third acceleration detection means 23 using the above arithmetic processing method is shown in the block of FIG. Shown in the figure.
第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22、第3の加速度検出手段23において加速度が作用したことによる静電容量の変化をC/V変換回路78により出力電圧に変換し、増幅回路79によりこの出力電圧を増幅し、この増幅された3つの加速度出力を演算処理回路80に入力する。また、座標記憶装置81に予め入力しておいた第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23の座標と、車体69の重心の座標を演算処理回路80に入力し、そしてこの演算処理回路80で図6のフローチャートに示した手順で回転中心、回転半径および角速度の演算を行い、これらを出力する。このときの角速度および加速度検出用複合センサとして出力する加速度は、車体69の重心の座標における回転半径を演算したものを用いるか、もしくは3つの加速度検出手段のうちの1つを車体69の重心に設けて、この車体69の重心に設けた加速度検出手段から検出される加速度を出力する。
The change in capacitance caused by the action of acceleration in the first acceleration detection means 21, the second acceleration detection means 22, and the third acceleration detection means 23 is converted into an output voltage by the C /
(実施の形態2)
以下、本発明における実施の形態2における角速度および加速度検出用複合センサの構成について図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the configuration of the composite sensor for detecting angular velocity and acceleration according to
図10は本発明の実施の形態2における3つの加速度検出手段を設けた角速度および加速度検出用複合センサの分解斜視図である。 FIG. 10 is an exploded perspective view of a composite sensor for detecting angular velocity and acceleration provided with three acceleration detecting means according to the second embodiment of the present invention.
図10に示す角速度および加速度検出用複合センサは、図1の角速度および加速度検出用複合センサ内に設けられた図2のような構造の第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23の代わりに、IC化された構造の加速度検出手段を用いて第1の加速度検出手段91、第2の加速度検出手段92および第3の加速度検出手段93を設けたものである。この加速度検出手段は、内部に可動電極板(図示せず)および固定電極板(図示せず)を設けるとともに、この可動電極板(図示せず)および固定電極板(図示せず)と一端が電気的に接続されたX軸加速度出力端子94、Y軸加速度出力端子95、電源端子96およびGND端子97を外方へ突出するように設けた構造となっている。そして、第1の加速度検出手段91、第2の加速度検出手段92および第3の加速度検出手段93を回路基板39の下面に固着するとともに、半田付けし、回路基板39の上面に第1の加速度検出手段91、第2の加速度検出手段92および第3の加速度検出手段93からのX軸加速度出力信号およびY軸加速度出力信号を処理するような処理回路40を設けて、X軸加速度出力端子94およびY軸加速度出力端子95を処理回路40に電気的に接続するとともに、電源端子96と電源中継端子50とを電気的に接続し、かつGND端子97とGND中継端子51とを電気的に接続している。
The angular velocity and acceleration detection composite sensor shown in FIG. 10 includes a first acceleration detection means 21 and a second acceleration detection means 22 which are provided in the angular velocity and acceleration detection composite sensor shown in FIG. Instead of the third
このような構成の角速度および加速度検出用複合センサは、本発明の実施の形態1と同様の動作をするものである。なお、2軸および3軸の加速度が検出可能な加速度検出手段であれば、本発明の実施の形態1および実施の形態2で用いた加速度検出手段以外のものを用いても同様の動作をさせることが可能である。 The composite sensor for detecting angular velocity and acceleration having such a configuration operates in the same manner as in the first embodiment of the present invention. As long as the acceleration detecting means can detect biaxial and triaxial acceleration, the same operation is performed even if the acceleration detecting means other than the acceleration detecting means used in the first and second embodiments of the present invention is used. It is possible.
(実施の形態3)
以下、実施の形態3を用いて、本発明の特に請求項5、6に記載の発明について説明する。
(Embodiment 3)
In the following, the third aspect of the present invention will be described with reference to the fifth and sixth aspects of the present invention.
図11は本発明の実施の形態3における角速度検出手段および3つの加速度検出手段を設けた角速度および加速度検出用複合センサの分解斜視図であり、図12は本発明の実施の形態3における角速度および加速度検出用複合センサで用いた角速度検出手段内に設けられた振動体の斜視図である。 FIG. 11 is an exploded perspective view of the angular velocity and acceleration detection combined sensor provided with the angular velocity detection means and the three acceleration detection means according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 12 shows the angular velocity and the acceleration sensor according to the third embodiment of the present invention. It is a perspective view of the vibrating body provided in the angular velocity detection means used with the composite sensor for acceleration detection.
図11に示す角速度および加速度検出用複合センサは、図1の角速度および加速度検出用複合センサにおいて、新たに角速度検出手段101を設けた構成となっている。この角速度検出手段101は図12のように互いに結晶軸の異なる単結晶の水晶製の薄板を貼り合わせた音叉からなる振動体102と、この振動体102を収納するケース103と、このケース103における開口部を閉塞する蓋104とにより構成されている。角速度検出手段101における振動体102の表面および裏面には駆動電極105を設けるとともに、外側面および内側面に検出電極106を設けている。また、角速度検出手段101におけるケース103は振動体102を内側に収納するとともに、上面に開口部(図示せず)を設けている。そしてまた、角速度検出手段101における蓋104は上面から下面にわたって貫通するように、角速度出力端子107、電源端子108およびGND端子109を設けており、蓋104における角速度出力端子107の一端を振動体102における検出電極106に電気的に接続しており、電源端子108およびGND端子109の一端を振動体102における駆動電極105と電気的に接続している。この角速度検出手段101を回路基板39の下面に固着するとともに、回路基板39の上面から下面にわたって設けた端子挿通孔110に角速度検出手段101における角速度出力端子107、電源端子108およびGND端子109を挿通している。そして、角速度検出手段101における角速度出力端子107、電源端子108およびGND端子109を処理回路40に電気的に接続している。
The combined angular velocity and acceleration detection sensor shown in FIG. 11 has a configuration in which the angular velocity detection means 101 is newly provided in the combined angular velocity and acceleration detection sensor shown in FIG. As shown in FIG. 12, the angular
以上のような構成の本発明の実施の形態3における角速度および加速度検出用複合センサについて、次に、その動作を図面を参照しながら説明する。
Next, the operation of the composite sensor for detecting angular velocity and acceleration according to
図13は本発明の実施の形態3における角速度検出手段および3つの加速度検出手段の故障診断を行う構成を示したブロック図である。 FIG. 13 is a block diagram showing a configuration for performing failure diagnosis of the angular velocity detecting means and the three acceleration detecting means in the third embodiment of the present invention.
角速度検出手段101は、電圧を振動体102の駆動電極105に印加し、振動体102を屈曲振動させた状態において、振動体102の長手方向の中心軸回りに角速度ωで角速度検出手段101が回転すると、質量をm、初速度をvとしたとき振動体102に、F=2mv×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、検出電極106に発生する電荷からなる出力信号を回路基板39における処理回路40により出力電圧に変換することにより、角速度を検出する。
The angular
上記のような動作で角速度検出手段101から検出される角速度と、3つの加速度検出手段から求められる角速度とを比較することによって、角速度検出手段および3つの加速度検出手段の故障診断を行うことができる。図13において、角速度検出手段101からの角速度出力と、演算処理装置80において第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23からの加速度検出手段の各々の加速度出力から図6の演算方法で求めた角速度出力とを角速度比較装置111に入力し、この2つの角速度の差が閾値より小さいときには、角速度検出手段101、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23が正しく動作しているものと判定し、角速度検出手段101からの角速度と、演算処理装置80からの加速度、回転半径および回転中心とを出力する。また、2つの角速度の差が閾値以上のときには、角速度検出手段101、第1の加速度検出手段21、第2の加速度検出手段22および第3の加速度検出手段23のいずれかに異常があるものと判定し、異常判定を出力するというものである。
By comparing the angular velocity detected by the angular velocity detecting means 101 with the above operation and the angular velocities obtained from the three acceleration detecting means, a failure diagnosis of the angular velocity detecting means and the three acceleration detecting means can be performed. . In FIG. 13, the angular velocity output from the angular
本発明の角速度および加速度検出用複合センサは、回転中心が基板と平行な平面上のどこにあるか分からない場合でも正確に角速度を検出できる効果を有し、車両の車体制御装置の中で、車体の挙動を検知するために用いられる角速度および加速度検出用複合センサとして有用である。 The composite sensor for detecting angular velocity and acceleration according to the present invention has an effect of accurately detecting the angular velocity even when it is not known where the center of rotation is on a plane parallel to the substrate. It is useful as a composite sensor for detecting angular velocity and acceleration used to detect the behavior of the sensor.
21,91 第1の加速度検出手段
22,92 第2の加速度検出手段
23,93 第3の加速度検出手段
39 回路基板
40 処理回路
80 演算処理回路
21, 91 First acceleration detection means 22, 92 Second acceleration detection means 23, 93 Third acceleration detection means 39
Claims (6)
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JP2004016796A JP2005207974A (en) | 2004-01-26 | 2004-01-26 | Compound sensor for detecting angular velocity and acceleration |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2004
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