JP2007163197A - 慣性センサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】複数の分解能要求に対して、検出素子部を分解能毎に設けることなく１個とし、小型化、低コスト化が実現できる慣性センサユニットを提供する。
【解決手段】 検出対象物の加速度又は角速度を検出対象物の慣性力として検出し、アナログ信号で出力する検出素子部及び該検出力をデジタル信号に変換する信号処理素子部を有し、対象物に取付けられ、デジタル信号を出力する慣性センサと、該センサの出力側にシリアルラインを介して接続され、デジタル信号を処理する演算部を備えた慣性センサユニットにおいて、信号処理素子部は、検出素子部のアナログ信号レベルの第１の範囲を所定ビットのデジタル信号に変換する第１のデジタル変換処理及び第２の範囲を所定ビットのデジタル信号に変換する第２のデジタル変換処理の少なくとも２種類の変換処理を行うデジタル変換部と、２種類のデジタル信号を時分割多重化して、シリアルラインに出力する多重化部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載される慣性センサユニットに関する。

車両や飛行体等の位置や姿勢の観測のために、角速度及び加速度等の測定が行われ、そのために、角速度センサや加速度センサ等を有する慣性センサが用いられている。慣性センサにより角速度センサや加速度センサ等からのアナログ信号がデジタル信号に変換されてから、ＣＰＵにより車両や飛行体等の位置、姿勢及び速度制御が行われる。

位置、姿勢及び速度制御では、各制御内容に応じた分解能が必要とされるために、同一物理量に対しても制御内容毎にセンサが必要とされていた。例えば、車両制御としては、横滑り制御等の車両安定制御においては、広い範囲の角速度等が必要とされ、アダプティプクルーズコントロール等の常用制御においては、狭い範囲の角速度等、即ち高分解能なものが必要とされる。従来、同じ角速度や加速度を測定する場合でも、制御内容毎のセンサ及びそのアナログ出力をデジタル信号に変換する変換処理部が設けられていた。

先行技術文献としては、以下の特許文献１がある。特許文献１には、ヨーレートセンサの測定結果の妥当性をチェックするべく、測定範囲全体を検出範囲とするヨーレートセンサと１個又は複数の一部の測定範囲を検出範囲とするヨーレートセンサを設け、これらのヨーレートセンサの測定結果及び測定量の相関関係などから測定結果の妥当性をチェックすることが記載されている。
特表平１１−５０９１５５号公報

しかしながら、従来では、異なる分解能のセンサ及びセンサのアナログ出力をデジタル信号に変換する信号処理素子を複数個設けていたこと、及び各デジタル信号を別々のシリアルラインでマイクロコンピュータの入力ポートに入力していたことから、センサ及び信号処理素子を含む慣性センサのコストがかかり、慣性センサ及びマイクロコンピュータを含む慣性センサユニットのサイズが大きくなるという問題点があった。また、特許文献１も同様に異なる分解能の慣性センサを複数個設け、その出力をマイクロコンピュータの別々のポートに入力して処理していたために、同様の問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数の分解能要求に対して、検出素子部を分解能毎に設けることなく１個とし、小型化、低コスト化が実現できる慣性センサユニットを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明によれば、検出対象物の加速度又は角速度を前記検出対象物の慣性力として検出し、該検出した慣性力をアナログ信号で出力する検出素子部及び該検出素子部の出力を少なくともデジタル信号に変換する信号処理素子部を有し、検出対象物に取付けられ、慣性力に応じたデジタル信号を出力する慣性センサと、該慣性センサの出力側にシリアルラインを介して接続され、前記デジタル信号を処理する演算部とを備えた慣性センサユニットであって、前記信号処理素子部は、前記検出素子部から出力されるアナログ信号レベルの第１の範囲を所定ビットのデジタル信号に変換する第１のデジタル変換処理及び前記第１の範囲を含む前記アナログ信号レベルの第２の範囲を前記所定ビットのデジタル信号に変換する第２のデジタル変換処理の少なくとも２種類の変換処理を行うデジタル変換部と、前記少なくとも２種類のデジタル信号を時分割多重化して、前記シリアルラインに出力する多重化部とを備えたことを特徴とする慣性センサユニットが提供される。

請求項１記載の発明によれば、信号処理素子部は、１個の検出素子部のアナログ信号から第１の範囲を所定ビットのデジタル信号に変換する第１のデジタル変換処理及び第１の範囲を含むアナログ信号レベルの第２の範囲を所定ビットのデジタル信号に変換する第２のデジタル変換処理の少なくとも２種類の変換処理を行い、この２種類のデジタル信号を時分割多重化して、シリアルラインに出力するので、異なる分解能の慣性センサを複数設けることがなくなり、慣性センサユニットの小型化及び低コスト化を実現できる。

図１は本発明の実施形態による慣性センサユニットの構成図である。図１に示すように、慣性センサユニット２は、ハウジング内に収容された、慣性センサ４、演算部８及び通信素子１０を備える。慣性センサ４は、車両や飛行機等の検出対象物に取り付けられ、該検出対象物の加速度又は角速度を検出対象物の慣性力として検出し、検出した慣性力をアナログ信号で出力し、該アナログ信号をデジタル信号に変換処理するものである。

慣性センサ４は、複数の角速度センシング素子２０＃ｉ（ｉ＝１，２，３）、複数の加速度センシング素子２２＃ｉ（ｉ＝１，２，３）及び複数の信号処理素子２６＃ｉ（ｉ＝１，２，３），２８＃ｉ（ｉ＝１，２，３）を有する。角速度センシング素子２０＃ｉ（ｉ＝１，２，３）は、検出対象物の角速度を検出し、角速度に応じたレベルのアナログ信号、例えば、電圧を出力する角速度検出素子である。加速度センシング素子２２＃ｉ（ｉ＝１，２，３）は、検出対象物の加速度を検出し、加速度に応じたレベルのアナログ信号、例えば、電圧を出力する加速度検出素子である。

例えば、慣性センサ４が車両に取り付けられる場合は、車両の重心付近に配置され、２０＃１は車両の上下軸まわりの角速度であるヨーレートを検出するヨーレートセンシング素子、２０＃２は車両の左右軸まわりの角速度であるピッチレートを検出するピッチレートセンシング素子、２０＃３は車両の前後軸まわりの角速度であるロールレートを検出するロールレートセンシング素子である。また、２２＃１は車両の上下軸方向の加速度を検出する上下加速度センシング素子、２２＃２は車両の左右軸方向の加速度を検出する左右加速度センシング素子、２２＃３は車両の前後軸方向の加速度を検出する前後加速度センシング素子である。

角速度センシング素子２０＃ｉ（ｉ＝１，２，３）及び加速度センシング素子２２＃ｉ（ｉ＝１，２，３）の少なくとも一つについては、そのアナログ信号のレベル、例えば、電圧の第１の範囲（以下、高分解能範囲）及び第１の範囲を含む第２の範囲（以下、広域）の少なくも２種類の範囲において、デジタル変換処理が必要とされる。例えば、ヨーレートセンシング素子２０＃１から出力されるヨーレートは、横滑り制御等の車両安定制御系では、例えば、−１００°／ｓｅｃから＋１００°／ｓｅｃの広域の角速度の検出が要求され、また、アダプティブクルーズコントロール等の常用制御系では、例えば、−２０°／ｓｅｃから＋２０°／ｓｅｃの範囲の角速度の検出が要求される。

角速度センシング素子２０＃ｉ（ｉ＝１，２，３）及び加速度センシング素子２２＃ｉ（ｉ＝１，２，３）は、その出力側と信号線２３＃ｉ，２４＃ｉ（ｉ＝１，２，３）を介して信号処理素子２６＃ｉ，２８＃ｉ（ｉ＝１，２，３）に接続され、図示しない電源電圧、例えば、５Ｖの電源電圧が外部より供給され、図示しない抵抗等により、０Ｖから５Ｖまでの範囲を角速度や加速度の検出範囲全体に対応させ、角速度や加速度に該当する電圧を出力する。

例えば、ヨーレートセンシング素子２０＃１は、図２に示すように、−１００°／ｓｅｃから＋１００°／ｓｅｃの広域の角速度を検出範囲とし、この検出範囲を０Ｖから５Ｖに対応させ、ヨーレートに対応する電圧を出力する。従って、ヨーレートが−２０°／ｓｅｃから＋２０°／ｓｅｃの高分解能範囲は、図２に示すように、２Ｖ〜３Ｖに対応する。ヨーレートセンシング素子２０＃１は、例えば、水晶音叉型の振動子に角速度が作用したときに発生するコリオリ力を振動子の変位として検出して、角速度を検出する。尚、本実施形態では、高分解能範囲及び広域の少なくとも２種類の範囲の検出範囲が要求されるものの一例として、ヨーレートセンシング素子２０＃１について説明する。

信号処理素子２６＃ｉ，２８＃ｉ（ｉ＝１，２，３）は、角速度センシング素子２０＃ｉ，加速度センシング素子２２＃ｉ（ｉ＝１，２，３）の出力側に信号線２３＃ｉ，２４＃ｉ（ｉ＝１，２，３）を介して接続され、信号線２３＃ｉ，２４＃ｉ（ｉ＝１，２，３）よりアナログ信号を入力し、所定の量子化ビット、例えば、１０ビットのデジタル信号に変換する素子であり、角速度センシング素子２０＃ｉ，加速度センシング素子２２＃ｉ（ｉ＝１，２，３）とは別体のＩＣチップで作製されるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）である。

特に、高分解能範囲及び広域の少なくとも２種類の範囲の検出範囲が要求されるヨーレートについては、信号処理素子２６＃１は、高分解能範囲及び広域の少なくとも２種類の検出範囲に対応する高分解能デジタル信号及び広域デジタル信号に変換する。

図３は図１中の信号処理素子２６＃１の一例を示す機能ブロック図である。信号処理素子２６＃１は、広域Ａ／Ｄ変換部５０、電圧変換部５２、高分解能Ａ／Ｄ変換部５４及び多重化部５６を有する。広域Ａ／Ｄ変換部５０は、アナログ信号の電圧の全範囲、即ち、０Ｖ〜５Ｖを変換範囲とし、角速度センシング素子２０＃１より出力されるアナログ信号（電圧）を図示しないクロックに同期して、一定周期でサンプリングする。そして、サンプリングした電圧を、クロックに同期して、所定の量子化ビット数、例えば、１０ビットに量子化し、０Ｖ〜５Ｖの範囲を、図４に示すように、０〜１０２４の範囲の１０ビットのデジタル信号（広域デジタル信号）Ｓ１にＡ／Ｄ変換する。

電圧変換部５２は、角速度センシング素子２０＃１より出力されるアナログ信号の全範囲、即ち、０Ｖ〜５Ｖを高分解能範囲（２Ｖ〜３Ｖ）に変換する。例えば、角速度センシング素子２０＃１より出力される電圧と、電源電圧を抵抗により分圧することにより得られる高分解能範囲の下限値に対応する第１の基準電圧Ｖｒｅｆ１（例えば、２Ｖ）及び同様に電源電圧を分圧することにより得られる高分解能範囲の上限値に対応する第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２（例えば、３Ｖ）と比較し、０Ｖ〜２Ｖまでの範囲を２Ｖに変換して出力し、２Ｖ〜３Ｖの範囲をそのまま出力し、３Ｖ〜５Ｖの範囲を３Ｖに変換して出力する。

高分解能Ａ／Ｄ変換部５４は、電圧変換部５２より出力される２Ｖ〜３Ｖを変換範囲とし、電圧変換部５２より出力されるアナログ信号（電圧）を図示しないクロックに同期して、一定周期でサンプリングする。そして、サンプリングした電圧を、クロックに同期して、所定の量子化ビット数、例えば、１０ビットで量子化して、２Ｖ〜３Ｖの範囲を、図４に示すように、０〜１０２４の範囲の１０ビットの高分解能デジタル信号Ｓ２にＡ／Ｄ変換する。

更に異なる変換範囲のデジタル信号にＡ／Ｄ変換する必要がある場合は、当該変換範囲の下限及び上限値に対応する電圧を基準電圧とし、基準電圧と電圧とを比較して、全範囲を当該変換範囲に電圧変換してからデジタル信号に変換すれば良い。

尚、角速度センシング素子２０＃１からの全範囲（０Ｖ〜５Ｖ）について、十分な分解能でデジタル信号にＡ／Ｄ変換しておき、その後、演算により分解能の異なるデジタル信号に変換しても良い。例えば、１２ビットのデジタル信号にＡ／Ｄ変換し、上位ビットから下位ビット側に２ビットシフトすることにより１０ビットの広域デジタル信号Ｓ１に変換し、上位２ビットを削除することにより１０ビットの高分解能デジタル信号Ｓ２に変換することも可能である。

多重化部５６は、上記クロックに同期して、広域デジタル信号Ｓ１を図示しない１０ビットのシフトレジスタに順次ラッチし、また、高分解能デジタル信号Ｓ２を図示しない１０ビットのシフトレジスタに順次ラッチする。そして、クロックに同期して、同期のために所定ビット数‘０’、あるいは同期パターンをシリアルライン５＃１に出力してから、図５に示すように、広域デジタル信号である旨を指示する識別子（例えば、‘１０’）がセットされたヘッダ部をシリアルライン５＃１に出力し、ヘッダ部に後続してシフトレジスタにラッチした１０ビットの広域デジタル信号Ｓ１をシリアルライン５＃１に出力する。

更に、図５に示すように、広域デジタル信号Ｓ１の最終ビットから同期のために所定ビット数‘０’、あるいは同期パターンをシリアルライン５＃１に出力してから、高分解能デジタル信号である旨を指示する識別子（例えば、‘１１’）がセットされたヘッダ部をシリアルライン５＃１に出力し、ヘッダ部に後続してシフトレジスタにラッチした１０ビットの高分解能デジタル信号Ｓ２をシリアルライン５＃１に出力する。これにより、図５に示すように、広域デジタル信号Ｓ１及び高分解能デジタル信号Ｓ２がシリアルライン５＃１上に時分割多重化される。

演算部８は、マイクロコンピュータ（マイコン）を有する。マイコンは、図示しない、ＣＰＵ、メインメモリ、シリアルライン５＃ｉ，６＃ｉ（ｉ＝１〜３）に接続されるシリアルインタフェース部を有する。シリアルライン５＃１に接続されるシリアルインタフェース部は、クロックに基づいて、同期パターン等より、ヘッダ部の先頭に同期を取って、ヘッダ部の識別子をレジスタに記憶する。レジスタに記憶された識別子により、データ部に広域デジタル信号Ｓ１及び高分解能デジタル信号Ｓ２のいずれのデジタル信号が収容されているかを判別する。そして、ヘッダ部に後続する１０ビットのデータ部に収容された広域デジタル信号Ｓ１又は高分解能デジタル信号Ｓ２をクロックに同期して受信して、メインメモリの該当領域に格納する。

従って、シリアルインタフェース部は、図５に示すように、ロード１で示される広域デジタル信号を示す識別子及び広域デジタル信号Ｓ１、並びにロード２で示される高分解能デジタル信号を示す識別子及び高分解能デジタル信号Ｓ２を受信する。多重化部５６は、ロード１，２で示されるヘッダ部の開始及びデータ部の終了を示すロード信号をマイコン８に出力し、シリアルインタフェース部は、ロード信号に基づいて、ヘッダ部及びデータ部をロードすることにより、ヘッダ部との同期を省略することができる。

他のシリアルライン５＃ｉ（ｉ＝２，３）、６＃ｉ（ｉ＝１，２，３）とインタフェースを司るシリアルインタフェース部は、クロックに同期して、デジタル信号を受信して、メインメモリの該当領域に格納する。尚、クロックは慣性センサ４よりマイコン８側に分配してもよいし、マイコン８側でＰＬＬ回路により生成しても良い。

ＣＰＵは、メインメモリの該当領域に格納された、広域及び高分解能のヨーレート、ピッチレート、ロールレート、上下加速度、左右加速度及び前後加速度を読み出し、それぞれ車両の静止時の出力電位が中点電位（２．５Ｖ）となるように中点補正等のデータ補正をするとともに、広域及び高分解能のヨーレート、ピッチレート、ロールレート、上下加速度、左右加速度及び前後加速度に基づいて、角速度センシング素子２０＃ｉ，加速度センシング素子２２＃ｉ（ｉ＝１，２，３）の故障判断を行う。

広域デジタル信号及び高分解能デジタル信号を含む上記補正データ、及び上記故障判断結果をパケットに収容し、通信素子１０を通して、図示しない、ＬＡＮに接続された、横滑り制御システム、アダプティブクルーズ制御システム、ナビゲーションシステムや表示システムに送信する。通信素子１０は、マイコン８の出力ラインに接続され、マイコン８と図示しないＬＡＮ間のインタフェースを司る。

横滑り制御システムは、車両のオーバステア状態、アンダーステア状態等の挙動を、操舵角や車速から定まる目標値と、ＬＡＮより受信した広域のヨーレートや横加速度等の検出値との比較により判定し、その判定結果に基づいてオーバステアやアンダーステアを打ち消し、検出値が目標値に近づくように、旋回外側の車輪にブレーキをかけたり、旋回内側の車輪にブレーキをかけたりする制御を行う。

アダプティブクルーズ制御システムは、ＬＡＮより受信した高分解能のヨーレート等から、オートクルーズの一定車速制御に加えて、車間距離が安全車間距離以下になると、シフトダウンや自動ブレーキ制御を行う。表示システムはナビゲーションシステムからの情報等を液晶表示装置上に表示する。

以上説明したように、本実施形態による慣性センサユニットによれば、慣性センサに、１個の角速度センシング素子等のアナログ信号出力から複数の分解能のデジタル信号出力機能が備わっているので、１個のセンシング素子で複数の異なった分解能要求を持つシステムに対応することができる。これにより、これまで、必要分解能毎のセンサ部品を搭載していた慣性センサユニットに対し、小型化及び低コスト化が容易に実現できる。

本発明の実施形態による慣性センサユニットの構成図である。 図１中の信号処理素子の構成図である。 角速度センシング素子の出力波形を示す図である。 広域デジタル信号及び高分解能デジタル信号波形を示す図である。 信号処理素子の出力波形を示す図である。

符号の説明

２ 慣性センサユニット
４ 慣性センサ
５＃ｉ（ｉ＝１，２，３），６＃（ｉ＝１，２，３） シリアルライン
８ 演算部
１０ 通信素子
２０＃ｉ（ｉ＝１，２，３） 角速度センシング素子
２２＃ｉ（ｉ＝１，２，３） 加速度センシング素子
２６＃ｉ，２８＃ｉ（ｉ＝１，２，３） 信号処理素子
５０ 広域Ａ／Ｄ変換部
５２ 電圧変換部
５４ 高分解能Ａ／Ｄ変換部
５６ 多重化部

Claims (1)

1. 検出対象物の加速度又は角速度を前記検出対象物の慣性力として検出し、該検出した慣性力をアナログ信号で出力する検出素子部及び該検出素子部の出力を少なくともデジタル信号に変換する信号処理素子部を有し、検出対象物に取付けられ、慣性力に応じたデジタル信号を出力する慣性センサと、該慣性センサの出力側にシリアルラインを介して接続され、前記デジタル信号を処理する演算部とを備えた慣性センサユニットであって、
   前記信号処理素子部は、
   前記検出素子部から出力されるアナログ信号レベルの第１の範囲を所定ビットのデジタル信号に変換する第１のデジタル変換処理及び前記第１の範囲を含む前記アナログ信号レベルの第２の範囲を前記所定ビットのデジタル信号に変換する第２のデジタル変換処理の少なくとも２種類の変換処理を行うデジタル変換部と、
   前記少なくとも２種類のデジタル信号を時分割多重化して、前記シリアルラインに出力する多重化部とを備えたことを特徴とする慣性センサユニット。

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