JP2005274456A - センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 車両制御等に用いられる振動型角速度センサや加速度センサが組み込まれ、かつ、それらセンサの異常をより的確に検出できるセンサシステムを提供する。
【解決手段】センサシステム１は、振動型の角速度センサ部２と、角速度センサ部２とは別に設けられた加速度センサ部３とを備える。第二種加速度信号生成部５は、角速度センサ部２からの被検出振動成分に含まれる加速度信号成分を抽出し、その抽出した加速度信号を第二種加速度信号Ｖｇ２として出力する。異常検知部５ａは、加速度センサ部３にて検出・出力される加速度信号を第一種加速度信号Ｖｇ１として、該第一種加速度信号Ｖｇ１と第二種加速度信号Ｖｇ２とに基づき、角速度センサ部２と加速度センサ部３との少なくともいずれかの異常検知を行なう。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車等の車両制御などに使用されるセンサシステムに関し、特に、車両制御等に用いられる振動型角速度センサや加速度センサが組み込まれるとともに、それらセンサの異常検出機能を有したセンサシステムに関する。

特開２００１−１５３６５９号公報 特許第２５０４２３３号公報

角速度センサ（ジャイロセンサ）の方式には、回転体の歳差運動を利用する機械式、筐体内で周回するレーザー光の筐体回転に伴う受光タイミング変化を利用する光学式、筐体内でセンシング用のガスを熱線に噴射し、その噴射量が筐体の回転により変化するのを熱線温度で検知する流体式などが知られている。他方、カーナビゲーションシステム等における車両方向検知用の角速度センサの需要が近年急速に高まっており、上記各方式と比較してより安価で軽量な振動式角速度センサが主流となりつつある。振動式角速度センサは、予め定められた基準方向に振動する振動子に角速度が作用したとき、基準方向と直交する検出方向へのコリオリ力に基づく新たな振動成分（以下、角速度振動成分という）を検出し、該振動成分に基づいて角速度情報を出力するものである。

従来、角速度センサを用いて車両制御を行なうシステムとして、車両の横滑りを検出し、各車輪のブレーキやトルクを最適に制御することにより、車両を正常状態に保つ車両安定制御システムや、車両の後輪あるいは前輪の舵角を制御する４輪舵角制御システム等が周知である。この種のシステムは、車両の横滑りといった車両の異常状態を角速度信号つまり角速度センサにて検出しており、この角速度信号の信頼性を高めることが求められている。

上記の課題と関連して、特許文献１には以下のような技術が開示されている。すなわち、振動型角速度センサにおいて振動子の駆動振幅が規定範囲から外れた場合、角速度センサ出力のゼロ点や感度に異常が発生しうるので、その駆動振幅を検出してこれが規定範囲に収まっているかを否かを判定する。また、縁石に乗り上げるなどして車両に大きな衝撃が加わった場合、車両に搭載された角速度センサにも大きな衝撃が加わる。この場合、衝撃により角速度センサ内処理回路の信号が飽和し、本来検出すべき角速度（ヨーレート）とは異なる信号が発生し得る場合がある。そこで、角速度センサの信号出力が所定のレベルを超えていないかどうかを検出し、所定のレベルを超えた場合には車両制御システムに異常が発生したと判定する。具体的には、振動子の駆動振幅を圧電素子で検出して電荷電圧変換し、さらに整流してＤＣ化した信号を振幅モニタ信号として用い、この振幅モニタ信号のレベルが規定範囲に収まっているかどうかにより異常検知を行なっている。

しかしながら、最近では振動子の小型化が求められていることもあって、圧電素子に代えて静電容量で検出する半導体タイプの振動子に切り替わりつつあり、従来まで問題とならなかった微小な異物の付着等も、角速度センサのゼロ点や感度に影響を及ぼすようになっており、振動子の振動振幅の異常や外乱衝撃による異常検出のみでは不十分となってきている。

本発明の課題は、車両制御等に用いられる振動型角速度センサや加速度センサが組み込まれ、かつ、それらセンサの異常をより的確に検出できるセンサシステムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明のセンサシステムは、予め定められた基準方向に振動する振動子と、振動子に角速度が加わるに伴い、基準方向と交差するように定められた角速度検出方向への被検出振動成分を検出し、該被検出振動成分に基づいて角速度検出波形を生成する検出波形生成部とを有する振動型の角速度センサ部と、角速度センサ部とは別に設けられた加速度センサ部とを備え、
角速度センサ部からの被検出振動成分に含まれる加速度信号成分を抽出し、その抽出した加速度信号を第二種加速度信号として出力する第二種加速度信号生成部と、
加速度センサ部にて検出・出力される加速度信号を第一種加速度信号として、該第一種加速度信号と第二種加速度信号とに基づき、角速度センサ部と加速度センサ部との少なくともいずれかの異常検知を行なう異常検知部と、を有してなることを特徴とする。

振動型の角速度センサは、基準方向に振動駆動される振動子に角速度が作用した場合、基準方向と交差する（通常は直交する）向きに定められた角速度検出方向への、コリオリ力に由来した振動成分を角速度信号の形で取り出す。しかし、該角速度検出方向に並進的な加速度成分が生じていると、これが角速度信号に重畳されるので、加速度検出の観点からはノイズ成分として作用することになる。従来は、この重畳される加速度成分は如何にして除去するかについてのみ注意が払われてきた。

ところで、車両制御システムの多くにおいては、角速度センサと加速度センサとが併用される。そこで本発明者は発想を転換し、振動型の角速度センサ部の出力を与える被検出振動成分に加速度成分が重畳されている場合、この加速度信号の成分を角速度信号の成分から分離することができれば、これを加速度センサ部からの正規の加速度信号（第一種加速度信号）とは別系統の加速度信号（第二種加速度信号）として活用することができる。２系統の加速度信号は、振動型の角速度センサ部及び加速度センサ部の動作が正常であれば、ほぼ同等の加速度レベルを示すはずであるが、一方に異常が生じていれば、２系統の加速度信号のレベルに不一致を生ずるので、これをセンサの異常検知に利用することができる。

例えば振動型の角速度センサ部については、半導体タイプのセンサユニットなど、微小な異物の付着によりゼロ点や感度が微妙に影響を受けるものでも、加速度信号から分離・抽出された第二種加速度信号を、加速度センサ部からの標準信号である第一種加速度信号との比較により、その異常検知を的確に行なうことができる。他方、振動型の角速度センサ部からの第二種加速度信号を基準にすれば、加速度センサ部に異常が生じているか否かも検出することができる。また、第一種加速度信号と第二種加速度信号との間の食い違いが検出できれば、振動型の角速度センサ部と加速度センサ部とのどちらに異常があるかがとりあえず特定できなくとも、両者を一組としたセンサシステムとしての異常については確実に検知できる、ということにもなる。

加速度センサ部は、振動型の角速度センサ部とは測定原理の異なるもの、つまり非振動型加速度センサを採用したほうが加速度検知の制度を高めることができ、結果として第一種加速度信号の精度も高められる。これは、第二種加速度信号側の異常、すなわち振動型の角速度センサ部の異常検知を行なう観点においてより有利であるといえる。非振動型加速度センサとしては、圧電素子型、静電容量型あるいは歪ゲージ型など、周知の構成を採用することができる。

なお、車両の運転中に発生する加速度は種々の周波数帯の成分を含むことが多く、車両制御用に必要な周波数帯（例えば３０Ｈｚ以下（０Ｈｚを含む））となるようにフィルタリングして使用することも多く行われている。一般的に、振動型角速度センサの被検出振動成分から取り出される第二種加速度信号の周波数応答特性と、加速度センサ（特に非振動型加速度センサ）からの第一種加速度信号の周波数応答特性とは異なる。そこで、第二種加速度信号発生部には、第二種加速度信号入力加速度に対する第二種加速度信号の周波数応答特性を、第一種加速度信号の周波数特性に近づけるための周波数特性変換手段を設けておくと、振動型の角速度センサ部の異常検知精度を高める観点でより有利となる。このような周波数特性変換手段はフィルタ部（例えば、第二種加速度信号から不要な帯域の信号成分をカットするためのもの）にて構成できる。

例えば、加速度センサ部が、加速度検知信号発生部と、該加速度検知信号発生部からの加速度検知信号の原波形から不要波形成分を除去して第一種加速度信号として出力する加速度センサ側出力フィルタ部を備えるものである場合、上記第二種加速度信号生成部の周波数特性変換手段は、加速度センサ側出力フィルタ部とフィルタの型、次数及びカットオフ周波数が同一の第二種加速度信号出力側フィルタ部として構成しておくと、フィルタ部通過後の第一種加速度信号と同じく第二種加速度信号との出力位相のずれを小さくすることができ、異常検知の精度をより高めることができる。

角速度センサ部と加速度センサ部とは１つの筐体に一体に組み込むことができる（このようなセンサシステムはイナーシャセンサとも称される）。車両制御システムに必須の角速度センサ部と加速度センサ部をひとつの筐体に実装することで、センサシステムの車両への搭載性を向上することができ、組み付け工程の標準化も図りやすくなる。また、加速度センサ部と加速度センサ部とが同一筐体内で近接配置されることは、次のような利点も生む。
(1)角速度センサ部と加速度センサ部とが近接して配置されるので、第一種加速度信号及び第二種加速度信号の生成や、それら信号を用いた異常検知のための信号処理の配線長を縮小し、ひいては信号のノイズマージンを高めることができる。この場合、角速度センサ部と加速度センサ部とを同一基板上に実装するとより望ましい。
(2)角速度センサ部と加速度センサ部との検出位置が接近するので、搭載位置の相違によるセンサ環境（ノイズ振動発生状況や機械的共振モードなど）の影響の相違を縮小でき、ひいては異常検知の精度を高めることができる。

次に、本発明のセンサシステムの角速度センサ部は、振動子を前記基準方向において互いに逆位相にて振動させる一対の振動子と、それら振動子の、角速度検出方向へ互いに逆位相で振動する逆相波形成分に基づいて角速度を演算し、これを角速度検出信号として出力する角速度演算手段と、角速度検出方向へ互いに同位相で振動する同相振動成分に基づいて加速度を演算し、第二種加速度信号として出力する加速度検出手段とを有するものとして構成できる。このように構成すると、一対の振動体に発生する逆位相の成分を角速度信号、同位相の成分を加速度信号として検出することができるため、角速度・加速度を効果的に分離できる。

具体的には、角速度演算部は、１対の演算子の角速度検出方向への振動波形のうち、同位相で振動する成分を相殺することにより角速度を演算するものであり、加速度演算部は、１対の演算子の前記角速度検出方向への振動波形のうち、逆位相で振動する成分を相殺することにより加速度を演算するものとすることができる。これにより、両振動子の角速度検出方向への振動波形の単純な加算ないし差分により、角速度ないし加速度を容易に分離できる。

本発明のセンサシステムにおいては、第一種加速度信号と第二種加速度信号とが生成できれば、それを用いた異常検知方法は目的に応じた種々の形態を採用することができる。例えば、異常検知部にて第一種加速度信号と第二種加速度信号との差分信号を演算する構成を採用すると、その差分信号のレベルに基づいて異常検知信号を簡単に生成・出力できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明のセンサシステムの一実施形態であるイナーシャセンサシステム１の回路図である。イナーシャセンサシステム１の要部は角速度センサ部２と加速度センサ部３とからなり、これらがひとつの筐体５０内（ひいては同一基板上）に組み付けられている。角速度センサ部２からは角速度信号Ｖｙが、加速度センサ部３からは加速度信号Ｖｇ１（第一種加速度信号）がそれぞれ出力される。

角速度センサ部２は振動型の角速度センサとして構成され、振動ユニット４、振動駆動制御部６及び角速度検出部７とを有する。図２に示すように、振動ユニット４は第一のセンサユニット１００及び第二のセンサユニット２００を備える。各センサユニットは、予め定められたＸ方向（基準方向）に振動する振動子４１ａ，４１ｂを備え、それら振動子４１ａ，４１ｂに角速度が加わるに伴い、Ｘ方向と直交するように定められたＹ方向（角速度検出方向）への被検出振動成分を検出するものである。具体的には、図１に示すように該被検出振動成分に基づいて容量変化として検出する。第一のセンサユニット１００と第二のセンサユニット２００とはＸ方向に互いに隣接して配置されている。なお、被検出振動波形は、並進的な加速度が加わっている場合は角速度振動波形に加速度振動波形が重畳したものとなる。

該振動ユニット４は、例えばＳｉ等の半導体マイクロマシニングの技術を用いて形成される。図２に例示した構成では、第一のセンサユニット１００の振動子４１ａは４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄの各梁により、第二のセンサユニット２００の振動子４１ｂは４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄの各梁により、一体のフレーム４０に対し、それぞれ互いに直交するＸ方向とＹ方向とに独立に振動可能に結合されている。

両センサユニット１００，２００の各フレーム４０には、Ｘ方向（つまり振動駆動方向）の互いに遠い側の端部内面に、Ｘ方向の単位電極がＹ方向に一定間隔で配列した櫛歯状の駆動側固定電極５６ａ，５６ｂが取り付けられている。また、振動子４１ａ，４１ｂのＸ方向側端面には、Ｘ方向の単位電極がＹ方向に一定間隔で配列した櫛歯状の駆動側可動電極６６ａ，６６ｂが、駆動側固定電極５６ａ，５６ｂとの間に隙間をもって交互に配列する形で取り付けられている。

一方、両センサユニット１００，２００の、Ｙ方向（つまり角速度検出方向）の各端部（都合４箇所）には振動検出用コンデンサ４５ａ１，４５ｂ１，４５ｂ２，４５ａ２が設けられている。具体的には、フレーム４０のＹ方向の各端部内面に、Ｙ方向の単位電極がＸ方向に一定間隔で配列した櫛歯状の検出側固定電極５５ａ，５５ｂが取り付けられている。また、振動子４１ａ，４１ｂの対応するＹ方向側端面には、Ｙ方向の単位電極がＸ方向に一定間隔で配列した櫛歯状の検出側可動電極６５ａ，６５ｂが検出側固定電極５５ａ，５５ｂとの間に隙間をもって交互に配列する形で取り付けられている。これら検出側可動電極６５ａ，６５ｂと検出側固定電極５５ａ，５５ｂとが、上記振動検出用コンデンサ４５ａ１，４５ｂ１，４５ｂ２，４５ａ２を形成している。

さらに、両センサユニット１００，２００のＸ方向の互いに近い側の端部には、駆動振幅をフィードバック制御するための振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂが設けられている。具体的には、フレーム４０の対応する端部（隣接するセンサユニット１００，２００を仕切る隔壁部となっている）内面に、Ｘ方向の単位電極がＹ方向に一定間隔で配列した櫛歯状のモニタ側固定電極５７ａ，５７ｂが取り付けられている。また、振動子４１ａ，４１ｂの対応するＸ方向側端面には、Ｘ方向の単位電極Ｙ方向に一定間隔で配列した櫛歯状のモニタ側可動電極６７ａ，６７ｂが、モニタ側固定電極５７ａ，５７ｂとの間に隙間をもって交互に配列する形で取り付けられている。これらモニタ側可動電極６７ａ，６７ｂとモニタ側固定電極５７ａ，５７ｂとが、上記振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂを形成している。

振動子４１ａ，４１ｂの表面に形成された各電極６５ａ，６６ａ，６７ａ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂとともに、梁４２ｂ及び４３ｃを介してＧＮＤ端子Ｇ１，Ｇ２に接続され、外部でＧＮＤに接続されるようになっている。また、フレーム４０の表面には、駆動側固定電極５６ａ，５６ｂに接続される駆動端子Ｄ１，Ｄ２、検出側固定電極５５ａ，５５ｂに接続され検出信号端子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４、及びモニタ側固定電極５７ａ，５７ｂに接続される振動モニタ端子Ｍが形成されており、アイソレーション部６０で互いに電気的に分離されている。

図１に戻り、振動検出用コンデンサ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄは、その容量変化を電圧変換する容量電圧変換器２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに接続される。これら容量電圧変換器２０ａ，２０ｂ、及び、２０ｃ，２０ｄのそれぞれの出力同士を加算増幅する加算増幅器２１ａ，２１ｂと、それらの出力同士を差動増幅する差動増幅器２２（差分波形演算手段）と、角速度成分を抽出しＤＣ信号に変換する同期検波部２３と、該同期検波部２３の出力から高調波などの不要高周波成分を除去するローパスフィルタ２４とが角速度検出部７を構成する。

振動駆動制御部６は、振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂの容量変化を電圧変換する容量電圧変換器１０、その振動交流電圧出力を直流変換するＡＣ／ＤＣ変換器１１、ＡＣ／ＤＣ変換器１１の出力電圧を振幅モニタ値として、その基準電圧Ｖｒｅｆを与える基準電圧発生部１２、振幅モニタ値と基準電圧Ｖｒｅｆとの差分を増幅する差動増幅器１３、容量電圧変換器１０からの振動電圧出力を９０°移相する移相器１４、差動増幅器１３と移相器１４との各出力を乗算する乗算器１５とを有する。乗算器１５の出力が振動駆動電圧波形として、第一のセンサユニット１００及び第二のセンサユニット２００の各駆動端子Ｄ１，Ｄ２に入力される。

他方、本発明のポイントとなる第二種加速度信号を生成する第二種加速度信号生成部５については、容量電圧変換器２０ａ，２０ｄ、及び、２０ｂ，２０ｃのそれぞれの出力同士を加算増幅する加算増幅器３１ａ，３１ｂと、それらの出力同士を差動増幅する差動増幅器３２と、該差動増幅器３２の出力から高周波などの不要高周波成分を除去するローパスフィルタ３３とを有する。また、異常検知部５ａは、周波数特性変換手段ひいては第二種加速度信号出力側フィルタ部をなすローパスフィルタ３３からの出力（第二種加速度信号）Ｖｇ２と、加速度センサ５３の出力（第一種加速度信号）Ｖｇ１との差分信号ΔＶｇを演算・出力する差動増幅器３４、及び差分信号ΔＶｇに基づいて第一種または第二種加速度信号の異常を検知するためのウィンドコンパレータ３５を有している。なお、加速度センサ５３は、圧電素子型や静電容量型などの周知の構成の検知部と、その検知部からの出力に基づいて加速度信号を生成する信号処理回路とを有した加速度信号発生部７１を備え、さらに、該加速度信号発生部からの加速度検知信号の原波形から不要波形成分を除去する加速度センサ側出力フィルタ部としてのローパスフィルタ７０とを有するものである。

上記構成において振動駆動制御部６は、振動子４１ａ，４１ｂのＸ方向の振動が、振幅モニタ用コンデンサ４７ａ，４７ｂの容量変化により、振動モニタ信号としてモニタ端子Ｍから取り出され、容量電圧変換器１０にて電圧信号に変換後、駆動端子Ｄ１，Ｄ２に帰還させることにより自励式振動駆動機構を構成する。移相器１４は、梁４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを介した振動子４１ａ及び梁４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを介した振動子４１ｂの共振点付近での機械的振動を持続させる役割を果たす。また、容量電圧変換器１０にからの振動モニタ信号は、別途ＡＣ／ＤＣ変換器１１で平滑化されて振幅レベル信号とされ、制御振幅レベルに対応した基準電圧発生部１２からの基準電圧信号との差分が差動増幅器１３にて演算される。この差動増幅器１３の出力を振幅補正信号として、乗算器１５にて振動モニタ信号と乗ずることにより、駆動振幅が一定に制御されることとなる。なお、第一のセンサユニット１００と第二のセンサユニット２００との駆動端子Ｄ１，Ｄ２へは、乗算器１５の出力が印加される。これにより、両ユニット１００，２００の振動子４１ａ，４１ｂは、Ｘ方向において、その共振周波数で互いに逆位相で振動駆動される。

上記の状態で、Ｘ，Ｙ両方向のいずれとも直交するＺ方向（例えば自動車搭載の場合は、路面と直交する向き）周りに角速度が入力されると、振動子４１ａ，４１ｂにはコリオリ力により、その角速度の大きさに応じた振幅でＹ方向の角速度振動成分が互いに逆位相にて発生する。この振動は、振動検出用コンデンサ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄの容量変化として検知され、端子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４から取り出された後、容量電圧変換器２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄにて電圧変換され、角速度検出波形Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄとして出力される。

なお、コリオリ力はそれぞれの振動子４１ａ，４１ｂに対し互いに逆方向に作用するため、第一のセンサユニット１００の振動検出用コンデンサ４５ａ，４５ｃと、第二のセンサユニット２００の振動検出用コンデンサ４５ｂ，４５ｄとは、Ｙ方向における互いに反対側に位置するもの同士、すなわち、角速度検出部７においては、容量電圧変換器２０ａ，２０ｂの出力であるＳａ，Ｓｂと容量電圧変換器２０ｃ，２０ｄの出力であるＳｃ，Ｓｄとが、図３に示すように、それぞれ互いに同相の角速度検出波形を生ずる。そして、それら互いに同相となる角速度検出波形同士（図１において、信号Ｓａ，Ｓｂ同士、及び、信号Ｓｃ，Ｓｄ同士）は、それぞれ加算増幅器２１ａ，２１ｂで振幅加算され、角速度検出感度を高める工夫がなされている。なお、同一振動子にて、角速度が逆相となる波形Ｓａ，Ｓｃ同士及びＳｂ，Ｓｄ同士は加速度も互いに逆相となるから、これらは個別に容量電圧変換器２０ａ，２０ｃ及び２０ｂ，２０ｄにて電圧変換したあと、各々角速度検出部７ないし第二種加速度信号生成部５にて分配され、角速度信号ないし加速度信号を抽出するようにしている。

次に、入力角速度に対する加算増幅器２１ａ，２１ｂの出力は互いに逆位相となっているので、差動増幅器２２により差分演算することで、これら２つの波形信号がさらに振幅加算され、角速度検出感度が一層向上する。また、逆相振動駆動される両ユニット１００，２００においては、図４に示すように、Ｚ方向周りに角速度が加わった時にＹ方向に発生するコリオリ力は互いに逆方向に検知されるが、回転遠心力や突発振動などによるＹ方向への並進的な加速度に対しては同一方向に検知され、角速度信号から見れば一種のノイズ成分となる。しかし、両ユニット１００，２００の角速度検出波形信号を前記のように差分演算すれば、この加速度成分はキャンセルされ、角速度信号のみを取り出すことができる。

差動増幅器２２からの角速度信号の出力は、同期検波部２３にて振幅変調された角速度信号が復調され後、ローパスフィルタ２４でリップルが除去され、入力角速度に比例した直流の信号Ｖｙとして出力される。同期検波部２３に入力される基準位相信号は、振動モニタ信号を９０°移相した信号、即ち移相器１４の信号が用いられる。これは、入力角速度に対するコリオリ力が、振動子の振動位相に対し９０°異なる位相で発生するためである。

次に、容量電荷電圧変換器２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄからの角速度検出波形信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄは、第二種加速度信号生成部５側にも分配入力される。該第二種加速度信号生成部５において検出信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄは、角速度検出部７とは異なり、加算増幅器３１ａにてＳａ，Ｓｄが加算増幅され、加算増幅器３１ｂにてＳｂ，Ｓｃが加算増幅され、それぞれの出力を差動増幅器３２にて差動増幅される。前述の通り、角速度によるコリオリ力は振動子４１ａ，４１ｂに対しＹ方向で互いに逆方向に、並進加速度は振動子４１ａ，４１ｂに対しＹ方向で互いに同方向に働くので、図４に一点鎖線で示す通り、この信号演算により角速度信号成分がキャンセルされ、加速度信号成分のみが第二種加速度信号Ｖｇ２として検出される。

加速度センサ３は、その加速度検出方向がＹ方向に定められている。該加速度センサ３が正常であれば、その出力である第一種加速度信号Ｖｇ１は、角速度検出のいわば副産物として生成される第二種加速度信号Ｖｇ２よりは、加速度検出の信頼度は高い。他方、第二種加速度信号Ｖｇ２も、角速度センサ部２が正常であれば、第一種加速度信号Ｖｇ１に近接した加速度検出レベルを示すことになる。従って、差動増幅器３２による第一種加速度信号Ｖｇ１と第二種加速度信号Ｖｇ２との差分信号ΔＶｇは、中立点付近の値を示すこととなる。この場合、基準となる一定周波数／振幅の加速度を発生させた状態で、差分信号の中立点を、例えば差動増幅器３２あるいは加速度センサ５３からの信号経路上に設けられた調整用増幅器３６のゲイン調整等によりキャリブレーションしておく。

しかし、例えば角速度センサ部２の振動ユニット４に微小な異物等が付着するなどの要因により、振動ユニット４から出力される角速度検出波形信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄの感度やゼロ点が変動すると、それを用いて生成される第二種加速度信号Ｖｇ２の感度やゼロ点も変化することになり、実際の加速度を検出している加速度センサ５３からの第一種加速度信号Ｖｇ１との差分信号ΔＶｇは中立点からシフトする。従って、上記中立点を包含した基準電圧範囲［Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３］を有するウィンドコンパレータ３５に上記差分信号ΔＶｇを入力することで、該差分信号ΔＶｇが規定範囲内か否か、つまり異常かどうかを異常検知信号Ｖｄとして該ウィンドコンパレータ３５から出力することができる。他方、加速度センサ５３に不具合が発生し、第一種加速度信号Ｖｇ１の値が異常となった場合においても、差分信号ΔＶｇは同様に中立点からシフトするので、これが基準電圧範囲外になった場合は異常検知信号Ｖｄが同様に出力される。なお、差分信号ΔＶｇと中立点との大小関係により、第一種加速度信号Ｖｇ１と第二種加速度信号Ｖｇ２とのどちらが異常な状態にあるのかを判別する、といったようなことも概ね可能である。それは一般的に、振動子に異物等が付着することで等価的に質量が増えたこととなり、加速度に対する感度が増加する方向にいくためである。この場合、ΔＶｇが上限電圧Ｖｒｅｆ２より大きい場合に第一種加速度信号Ｖｇ１側の異常信号Ｖｄ１を出力する第一のコンパレータと、ΔＶｇが下限電圧Ｖｒｅｆ３より小さい場合に第二種加速度信号Ｖｇ２側の異常信号Ｖｄ２を出力する第二のコンパレータとを設けておくとよい。

なお、角速度検出波形信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄより生成された第二種加速度信号Ｖｇ２は、周波数応答特性（例えば、カットオフ周波数とフィルタの型・次数）を加速度センサ３にできるだけ近づけておいたほうが、高精度に異常検知することができるので、第二種加速度信号Ｖｇ２から不要な高周波域の成分を除去するローパスフィルタ３３（第二種加速度信号出力側フィルタ部）が設けられている。例えば、加速度センサ側出力フィルタ部をなるローパスフィルタ７０が２次のバタワース特性でカットオフ周波数が３０Ｈｚの場合、同一の型・次数でカットオフ周波数の公差としては、±１０％程度以内に設定することが望ましい（この公差の範囲であれば、２つのフィルタ３３，７０のカットオフ周波数は実質的に同一であるとみなす）。これは、入力される加速度に対し、出力されるＶｇ１とＶｇ２の位相を揃えることができ、差分をとるときの誤差として小さくなるためである。

以上の結果、例えばイナーシャセンサシステム１が搭載された自動車等の車両に発生する加速度を、振動型の角速度センサとして構成された角速度センサ部３からの信号を用いて第二種加速度信号Ｖｇ２として生成し、実際の加速度を検出している加速度センサ５３の出力である第一種加速度信号Ｖｇ１と比較することで、第二種加速度信号Ｖｇ２を角速度センサ部３の正常度を反映した情報として活用できるようになる。これにより、例えば従来では検出できなかった角速度センサ部３のゼロ点や感度が僅かに変動するような異常に対しても、高精度に検出できるという優れた効果がある。また、加速度センサ３の出力との比較を行なうので、該加速度センサ３の異常も検出できる利点がある。

以下、本発明のイナーシャセンサシステム１の変形例について説明する。図１のイナーシャセンサシステム１からは、検出機構の異なる２系統の加速度信号が生成されるので、一方の系統の加速度信号に異常をきたしたとき、他方の系統の加速度信号をバックアップ信号として活用することもできる。具体的には、正規の加速度センサ５３が正常である場合は、第一種加速度信号Ｖｇ１を出力すべき加速度信号Ｖｇとして採用し、逆に異常である場合は、加速度信号出力Ｖｇを第二種加速度信号Ｖｇ２に切り替えて出力することができる。図５の構成では、第一種加速度信号Ｖｇ１と第二種加速度信号Ｖｇ２とがそれぞれ個別に出力可能とされ、異常検知信号Ｖｄを受けてアナログスイッチ６１が、正常時には第一種加速度信号Ｖｇ１が出力され、異常時には第二種加速度信号Ｖｇ２が出力されるように、両信号を切り替えるようになっている。異常検知信号Ｖｄは異常検知時がＬレベルとしてある。該切り替えのスイッチ機構は、イナーシャセンサシステム１の筐体５０の内部に組み込んでもよいし、筐体５０の外に出して別体化してもよい。

また、図６の構成では、第一種加速度信号Ｖｇ１と第二種加速度信号Ｖｇ２とに対し、基準電圧範囲［Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３］及び［Ｖｒｅｆ４，Ｖｒｅｆ５］を個別に設定し、角速度センサ部２側の異常検知信号Ｖｄ１と、加速度センサ５３側の異常検知信号Ｖｄ２とを別々に出力できるようにしている（従って、独立のウィンドコンパレータ３３ａ，３３ｂが設けられている）。アナログスイッチ６１は、図５と同様に第一種加速度信号Ｖｇ１と第二種加速度信号Ｖｇ２を切り替えるが、まれに第一種加速度信号Ｖｇ１と第二種加速度信号Ｖｇ２との２つともが異常ということもありえるから、この場合には加速度信号の出力自体を遮断できるようにしてある。本実施形態では、第一種加速度信号Ｖｇ１側の異常検知信号Ｖｄ１を第一種加速度信号Ｖｇ１のスイッチング信号とし、第一種加速度信号Ｖｇ１側の異常検知信号Ｖｄ１（ウィンドコンパレータ３３ａから出力される）の否定信号（インバータ６２による）と、第二種加速度信号Ｖｇ２側の異常検知信号Ｖｄ２（ウィンドコンパレータ３３ｂから出力される）との論理積信号（ＡＮＤゲート６３による）を第二種加速度信号Ｖｇ２のスイッチング信号として用いている。これにより、異常検知信号Ｖｄ１が正常状態のときには第一種加速度信号Ｖｇ１が常に出力され、異常検知信号Ｖｄ１が異常状態では、異常検知信号Ｖｄ２が正常のときに限って第二種加速度信号Ｖｇ２が出力されるよう、アナログスイッチ６１が駆動される。

また、以上の実施形態ではいずれも、２つのセンサユニットからの互いに逆相の加速度検出波形を加算処理することで第二種加速度信号を生成していた。しかし、車両に発生する並進的な加速度成分は、振動型角速度センサの駆動周波数よりも低周波側に発生することが多いので、１つのセンサユニットからの加速度検出波形から駆動周波数成分をローパスフィルタやノッチフィルタを用いてカットすることにより、第二種加速度信号となる加速度成分を抽出する方式も可能である。

本発明のセンサシステムの第一実施形態を示す回路図。 振動型角速度センサ部の構造を模式的に示す図。 振動型角速度センサ部の各電極からの角速度検出波形と、それらの同相信号を加算する概念を説明する図。 振動型角速度センサ部が有する２つのセンサユニットの被検出振動波形により、角速度信号波形と第二種加速度波形とをそれぞれ生成する概念を説明する図。 本発明のセンサシステムの第二実施形態を示す回路図。 本発明のセンサシステムの第三実施形態を示す回路図。

符号の説明

１ イナーシャセンサシステム
２ 角速度センサ部
４１ａ，４１ｂ 振動子
３ 加速度センサ
７ 角速度検出部
２１ 差動増幅器（差分波形演算手段）
５ 第二種加速度信号生成部
３０ 加算器（加算波形演算手段）
５ａ 異常検知部
５０ 筐体
５ａ，５ｂ 振動検出用コンデンサ
３１ フィルタリング部（ローパスフィルタ）
１００ 第一のセンサユニット
２００ 第二のセンサユニット

Claims (7)

1. 予め定められた基準方向に振動する振動子と、前記振動子に角速度が加わるに伴い、前記基準方向と交差するように定められた角速度検出方向への被検出振動成分を検出し、該被検出振動成分に基づいて角速度検出波形を生成する検出波形生成部とを有する振動型の角速度センサ部と、前記角速度センサ部とは別に設けられた加速度センサ部とを備え、
   前記角速度センサ部からの前記被検出振動成分に含まれる加速度信号成分を抽出し、その抽出した加速度信号を第二種加速度信号として出力する第二種加速度信号生成部と、
   前記加速度センサ部にて検出・出力される加速度信号を第一種加速度信号として、該第一種加速度信号と前記第二種加速度信号とに基づき、前記角速度センサ部と前記加速度センサ部との少なくともいずれかの異常検知を行なう異常検知部と、
   を有してなることを特徴とするセンサシステム。
2. 前記第二種加速度信号生成部には、入力加速度に対する前記第二種加速度信号の周波数応答特性を、前記第一種加速度信号の周波数特性に近づけるための周波数特性変換手段を有する請求項１記載のセンサシステム。
3. 前記加速度センサ部は、加速度検知信号発生部と、該加速度検知信号発生部からの加速度検知信号の原波形から不要波形成分を除去して前記第一種加速度信号として出力する加速度センサ側出力フィルタ部を備えるものであり、
   前記第二種加速度信号生成部の前記周波数特性変換手段は、前記加速度センサ側出力フィルタ部とフィルタの型、次数及びカットオフ周波数が同一の第二種加速度信号出力側フィルタ部として構成されている請求項２に記載のセンサシステム。
4. 前記角速度センサ部と前記加速度センサ部とが１つの筐体に一体に組み込まれてなる請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサシステム。
5. 前記角速度センサ部は、前記基準方向において互いに逆位相にて振動させる一対の前記振動子と、それら振動子の、前記角速度検出方向へ互いに逆位相で振動する逆相波形成分に基づいて角速度を演算し、これを角速度検出信号として出力する角速度演算手段と、前記角速度検出方向へ互いに同位相で振動する同相振動成分に基づいて加速度を演算し、前記第二種加速度信号として出力する加速度検出手段とを有する請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセンサシステム。
6. 前記角速度演算部は、前記１対の演算子の前記角速度検出方向への振動波形のうち、前記同位相で振動する成分を相殺することにより角速度を演算するものであり、前記加速度演算部は、前記１対の演算子の前記角速度検出方向への振動波形のうち、前記逆位相で振動する成分を相殺することにより加速度を演算するものである請求項５記載のセンサシステム。
7. 前記異常検知部は、前記第一種加速度信号と前記第二種加速度信号との差分信号を演算し、その差分信号のレベルに基づいて異常検知信号を生成・出力するものである請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセンサシステム。

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